永磁同步電動機(jī)控制技術(shù)綜述

謝 然 高常進(jìn) 張清鵬 卞 敬

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 天津 300192）

電梯作為現(xiàn)代建筑內(nèi)的垂直交通運(yùn)輸工具已經(jīng)和人們的生產(chǎn)生活密不可分，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的迅速發(fā)展，電梯也得到迅速發(fā)展，電梯曳引機(jī)中的電動機(jī)作為電梯的核心部件也在近幾十年中得到了很大的改進(jìn)。

電梯驅(qū)動電機(jī)主要有直流電動機(jī)、異步電動機(jī)、永磁同步電動機(jī)（PMSM）3種類別。其中，直流電動機(jī)與其他電動機(jī)相比具有調(diào)速性能好、控制方式簡單、起動和制動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)的優(yōu)點。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高，可靠性稍差，因此應(yīng)用范圍受到了限制。尤其近些年，因大功率電力電子器件的迅速發(fā)展，整流逆變技術(shù)、功率和可靠性的不斷提高，與電力電子裝置結(jié)合并具有直流電機(jī)特性的新型電機(jī)不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的直流電動機(jī)已經(jīng)退出了電梯驅(qū)動領(lǐng)域的歷史舞臺。目前，電梯驅(qū)動電動機(jī)主要采用異步電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)。異步電動機(jī)工作原理主要憑借定、轉(zhuǎn)子間的電磁感應(yīng)在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)形成感應(yīng)電動勢以實現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換［1］，在電梯領(lǐng)域現(xiàn)主要配備于載貨電梯。隨著永磁材料的發(fā)展，永磁同步電動機(jī)制造技術(shù)也得到了迅速提升。與傳統(tǒng)的電勵磁電機(jī)相比，永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡單、運(yùn)行可靠性更強(qiáng)、機(jī)體的尺寸體積更小、產(chǎn)品質(zhì)量更輕、損耗小、機(jī)械效率更高。同時，電機(jī)的形狀和尺寸也可以靈活多變，適應(yīng)于各種安裝場所。［2］因此，永磁同步電動機(jī)憑借上述性能優(yōu)勢，作為近十幾年內(nèi)的新型電機(jī)已經(jīng)在電梯驅(qū)動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1 永磁同步電動機(jī)控制方法簡述

永磁同步電動機(jī)控制方法主要采用變頻調(diào)速方法。交流電動機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要控制形式分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。比較2種控制方式，因永磁同步電動機(jī)在開環(huán)控制方式下無法將電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號和電機(jī)運(yùn)行的實際速度信號作為實時反饋信號，易出現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行失步和突然停車等問題，從而造成永磁同步電動機(jī)退磁故障，所以開環(huán)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)并不適用于永磁同步電動機(jī)。

為精確得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信息和電機(jī)運(yùn)行速度信息，實現(xiàn)永磁同步電動機(jī)的閉環(huán)控制，目前主要采用的方法是在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝高精度的傳感器。其中，電梯行業(yè)常見的傳感器主要為光電編碼器來檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信息和電機(jī)轉(zhuǎn)速。永磁同步電動機(jī)閉環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 永磁同步電動機(jī)閉環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)圖

永磁同步電動機(jī)閉環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動機(jī)控制技術(shù)是控制系統(tǒng)的核心功能。永磁同步電動機(jī)作為曳引機(jī)制造領(lǐng)域主流的產(chǎn)品，控制技術(shù)主要有恒壓頻比控制（V/f）、矢量控制（FOC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。［3］

V/f控制方法是通過建立穩(wěn)態(tài)的永磁同步電動機(jī)等效電路實現(xiàn)控制的，但該控制方法并不適用于電梯電機(jī)控制這種運(yùn)行中的動態(tài)系統(tǒng)。因此，對于高性能的動態(tài)調(diào)速系統(tǒng)，需要建立在永磁同步電動機(jī)的動態(tài)模型之上，為解決這一難題，F(xiàn)OC控制方法由此而來。

FOC控制方法是一種利用變頻器實現(xiàn)控制三相交流電機(jī)的技術(shù)。該方法通過調(diào)整變頻器的輸出頻率、輸出電壓的大小及角度，實現(xiàn)對電機(jī)輸出的控制。其主要特性類似于他激式直流電機(jī)，可以分別控制電機(jī)的磁場及轉(zhuǎn)矩。由于在控制運(yùn)算處理時會將三相輸出電流及電壓以矢量來表示，因此稱為矢量控制。矢量控制技術(shù)是現(xiàn)在電梯電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域主要采用的控制技術(shù)，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。

DTC控制方法是繼矢量控制方法之后發(fā)展起來的又一種高動態(tài)性能的交流電動機(jī)變壓變頻調(diào)試方法。永磁同步電動機(jī)的DTC控制方法是基于異步電動機(jī)DCT控制基礎(chǔ)之上，逐步推廣到弱磁控制和同步電動機(jī)控制中的。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制技術(shù)相比，不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換，也不需要對定子電流的磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行閉環(huán)控制，同時也不需要脈寬調(diào)制單元，但該控制技術(shù)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動較大［4］，暫時不適用于電梯轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)度要求較高的電梯主機(jī)控制領(lǐng)域，但若突破這一難題后，DTC控制技術(shù)將是電梯領(lǐng)域永磁同步主機(jī)控制技術(shù)的未來發(fā)展方向。

2 永磁同步電動機(jī)矢量控制方法

基于上述對永磁同步電動機(jī)控制方法的簡述，本文對常用的矢量控制方法進(jìn)一步研究。為簡化數(shù)學(xué)模型，排除永磁同步電動機(jī)凸極作用造成的轉(zhuǎn)子耦合電感的變化對模型的影響，利用坐標(biāo)變換將永磁同步電動機(jī)的在三相靜止坐標(biāo)下復(fù)雜的非線性方程數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的線性方程。

已知永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈ψr是由永磁體決定的恒定不變量，因此無須像異步電機(jī)那樣估算轉(zhuǎn)子磁鏈，可通過檢測轉(zhuǎn)子位置信息將兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定于轉(zhuǎn)子磁鏈ψr方向上。為實現(xiàn)對永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，則需要通過對電磁轉(zhuǎn)矩Te的控制來實現(xiàn)。綜上，通過Clarke變換將三相電機(jī)的數(shù)學(xué)模型等效為兩相電機(jī)，再將靜止坐標(biāo)系下的兩相電機(jī)模型變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下。可得永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下：

電壓方程見式（1）。

轉(zhuǎn)矩方程見式（2）。

式中：

Rs——定子繞組電阻；

p——微分算子；

ud——定子電壓的d軸分量；

uq——定子電壓的q軸分量；

id——定子電流的d軸分量；

iq——定子電流的q軸分量；

Ld——定子線圈的d軸自感；

Lq——定子線圈的q軸自感；

ωr——電機(jī)同步速；

np——電動機(jī)極對數(shù)；

Te1——永磁轉(zhuǎn)矩；

Te2——磁阻轉(zhuǎn)矩。

從式（2）中可以看出永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩分量有2個，分別為永磁體磁鏈ψr與定子電流轉(zhuǎn)矩分量iq作用后產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩Te1和轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)造成的定子電流勵磁分量id與轉(zhuǎn)矩分量iq產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩Te2。見式（3）。

從式（3）可得，永磁轉(zhuǎn)矩Te1和磁阻轉(zhuǎn)矩Te2都與定子電流轉(zhuǎn)矩分量iq成正比例關(guān)系，因此可通過調(diào)節(jié)和控制定子電流轉(zhuǎn)矩分量iq來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)上述永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型可得永磁同步電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 永磁同步電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

目前，永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)主要采用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)速外環(huán)中的速度自動調(diào)節(jié)器（ASR）提供iq需要的指令值，同時根據(jù)電動機(jī)的弱磁程度提供id需要的指令值。最簡單的控制方案則是當(dāng)電動機(jī)在基頻以下恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運(yùn)行時，將id的指令值設(shè)定為0。［5－6］而在恒功率區(qū)運(yùn)行時，此時需要進(jìn)行弱磁調(diào)速，則令id小于0，起到去磁作用。但對于電梯驅(qū)動主機(jī)這類常規(guī)的正弦波永磁同步電動機(jī)很少運(yùn)行在弱磁區(qū)，因此可忽略不計。

圖3 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

利用MATLAB/Simpowersystems中的永磁同步電動機(jī)矢量控制示例，建立上述永磁同步電動機(jī)矢量控制模型，可通過仿真獲得永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真結(jié)果［7］，如圖4所示。從圖4中可見a相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、直流電壓的仿真波形圖。

圖4 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真結(jié)果圖

該仿真設(shè)定電源電壓為380 V，頻率為50 Hz的交流三相電源，并在恒轉(zhuǎn)速期間加入突變外加轉(zhuǎn)矩，觀察電磁轉(zhuǎn)矩、電流及轉(zhuǎn)速的波動情況，可通過仿真結(jié)果圖看出，在永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)下，面對轉(zhuǎn)矩突變情況時該系統(tǒng)能夠很好地解決轉(zhuǎn)速波動問題，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和對應(yīng)的電流值的相應(yīng)變化也沒有很高的延遲，控制性能優(yōu)越。

3 永磁同步電動機(jī)無感控制方法前瞻

在實際應(yīng)用過程中，永磁同步電動機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)為精確得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信息和電機(jī)運(yùn)行速度信息，主要采用在電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上安裝高精度的傳感器。電梯行業(yè)中常采用的傳感器主要為光電編碼器來檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信息和電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于加裝的高精度傳感器價格昂貴，甚至部分特殊要求的高精度傳感器價格超過了電動機(jī)的價格。并且加裝傳感器，需要增設(shè)傳感器與轉(zhuǎn)子軸的機(jī)械連接機(jī)構(gòu)，并且增加傳感器與控制器之間的通訊連線。但為獲得傳感器精確的信號，必須嚴(yán)格保證傳感器與轉(zhuǎn)子軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝精度和通訊連線傳輸信號的有效干擾屏蔽。因此，這些特殊要求都增加了電機(jī)的體積和生產(chǎn)成本。再有，傳感器受外界溫度、濕度、振動等的影響也會造成控制器控制精度的下降。為解決上述問題，提高電梯乘坐安全，降低電梯故障率，降低電梯的生產(chǎn)成本，拓寬電動機(jī)適用場合，優(yōu)化電梯動力系統(tǒng)，無位置傳感器的永磁同步電動機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)成為未來電梯主機(jī)調(diào)速控制領(lǐng)域前沿技術(shù)之一。

所謂無位置傳感器控制技術(shù)，主要利用采集電動機(jī)繞組的電壓、電流信號，并利用適當(dāng)?shù)乃惴ㄇ蠼夤浪愠鲛D(zhuǎn)子的速度信息和位置信息，從而達(dá)到取代外置傳感器實現(xiàn)電動機(jī)閉環(huán)控制的目的。通過近些年國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究，提出的無感控制技術(shù)的估算方法有：

1）利用定子端電壓和電流直接計算轉(zhuǎn)子的速度和位置。［8］該方法計算轉(zhuǎn)子位置信息和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速需要的數(shù)據(jù)均可通過測量獲得，因此數(shù)據(jù)采樣相對簡單。同時，該方法計算過程少，計算過程直接，相比其他估算方法不需要復(fù)雜的收斂控制算法，并且動態(tài)響應(yīng)的速度也相對較快。但該方法的缺點是：采用電流的微分計算，易造成測量誤差引起的計算結(jié)果與實際數(shù)據(jù)的偏差增大，并且該方法采用開環(huán)計算，在電機(jī)運(yùn)行過程中當(dāng)干擾造成參數(shù)變化時，無法有效確保計算數(shù)據(jù)信息結(jié)果的準(zhǔn)確性?；赑MSM在兩相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型經(jīng)計算可得出式（4）和式（5）。

當(dāng)電動機(jī)處于靜止時的轉(zhuǎn)子位置信息用式（4）表示。

同步角速度估算值用式（5）表示。

因此，可通過上述式（4）和式（5）計算獲得永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置信息和轉(zhuǎn)速信息，實現(xiàn)無感控制。

2）模型參考適應(yīng)方法（MRAS）。［9－11］該方法由S.Tamai在交流電動機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中首先提出。該方法需通過建立不含待觀測變量的參考模型和含有待觀測變量的可調(diào)模型，輸出同一個變量值進(jìn)行差值比較，并對可調(diào)變量進(jìn)行快速反應(yīng)調(diào)節(jié)。模型參考自適應(yīng)方法（MRAS）的PMSM矢量控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。MRAS方法的優(yōu)點是實現(xiàn)了電動機(jī)的無感閉環(huán)控制，控制調(diào)節(jié)反應(yīng)迅速。缺點是該方法對參考模型建立的準(zhǔn)確性和自適應(yīng)算法參數(shù)的選取要求很高，原因是缺乏對測量誤差和系統(tǒng)噪聲等不確定因素的校正機(jī)制。倘若建立的模型不夠準(zhǔn)確或參數(shù)設(shè)定的不夠優(yōu)化，會直接影響系統(tǒng)對速度的辨識和電動機(jī)動態(tài)變化時的控制效果。若為了建立更為準(zhǔn)確的參考模型，則模型結(jié)構(gòu)和算法會更加復(fù)雜，加重微控制器的計算負(fù)擔(dān)，降低系統(tǒng)反應(yīng)速度。

圖5 模型參考自適應(yīng)方法（MRAS）的PMSM矢量控制系統(tǒng)框圖

3）擴(kuò)展的卡爾曼濾波器（EKF）。擴(kuò)展的卡爾曼濾波器［12－13］由維納濾波發(fā)展而來，與其他控制方法比較，它采用狀態(tài)方程來描述控制對象，更加適用于計算機(jī)處理和計算，簡化了系統(tǒng)描述。作為一種在非線性系統(tǒng)中最小方差意義上的最優(yōu)預(yù)測估計方法，擴(kuò)展的卡爾曼濾波器有效地削弱了隨機(jī)干擾和測量噪聲的影響。卡爾曼濾波是一種數(shù)據(jù)處理的遞推算法，其濾波過程如圖6所示。圖中的濾波回路可估算并校正狀態(tài)變量，增益計算回路可對方差矩陣和增益矩陣進(jìn)行更新操作。當(dāng)在不明確控制系統(tǒng)初始狀態(tài)情況下，該方法通過濾波迭代計算可逐漸消除初始值選定不優(yōu)化的影響，最終實現(xiàn)濾波無偏。

圖6 卡爾曼濾波過程圖

將卡爾曼濾波過程公式應(yīng)用于永磁同步電動機(jī)無位置傳感器控制算法中，可建立如下系統(tǒng)框圖，如圖7所示。

圖7 基于EKF算法的PMSM矢量控制系統(tǒng)框圖

4 總結(jié)

由上述綜述可知電梯驅(qū)動主機(jī)中的永磁同步電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展與前沿，其中矢量控制技術(shù)已經(jīng)成為永磁同步電動機(jī)控制技術(shù)的主流方法，而為進(jìn)一步優(yōu)化控制技術(shù)衍生出的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）將是永磁同步主機(jī)控制技術(shù)的未來發(fā)展方向。同時為降低永磁同步曳引機(jī)制造成本，降低因外界環(huán)境影響下的故障率，拓寬其應(yīng)用范圍，永磁同步電動機(jī)的無感控制方法將成為未來永磁同步電動機(jī)的研究重點，具有很高的經(jīng)濟(jì)和實用價值。