永磁同步電機控制策略研究

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(中車永濟電機有限公司，陜西西安 710018)

0 引言

永磁同步電機與其它電機比較有許多優勢，比如構造簡單、運行效率高，并且散熱性能佳。而永磁材料的物理性能不斷提高，成本逐步降低，使得永磁同步電機交流伺服系統在日常生活以及軍工品等領域得到了越來越廣的應用。并且，永磁同步電機是包含變量非常多，是一個復雜的非線性系統，內部電磁關系更是復雜，其性能與電機的控制策略息息相關，因此,一種合適的控制策略的選擇,是永磁同步電機的關鍵。

1 永磁同步電機發展背景和國內外現狀

1.1 發展背景

眾所周知，電機是一門綜合電機學、電力電子學、自動控制、和計算機應用等多門的學科知識，永磁電機的發展經歷了材料學、計算機技術、機械加工和電磁場理論的發展，1831年，英國科學家法拉第發現通電導線在磁場中會受力產生運動這一現象。并且，法國人在1832年就應用電磁感應原理制造發電機，由于材料限制，選用鐵磁礦石作為永磁材料，隨著人們對材料科學的了解和研究，發現金屬間化合物擁有一些特殊的物理特性，包括在聲、光、電、熱、磁等方面，直到上世紀60年代，科學家發現稀土元素和過渡族元素進行融合，可以形成金屬間化合物永磁材料，隨著納米技術發展，又出現了納米復合稀土永磁材料，使得永磁材料的性能和加工工藝得到快速發展，在電機上的應用領域不斷擴大，這樣電機在材料選擇方面發展先是磁鐵礦石產生磁場到電勵磁最后又到高性能永磁材料產生磁場。

永磁電機的勵磁磁場是由永磁材料產生，永磁材料在電機中既是磁路，又是磁源。磁路結構是復雜多樣的，電磁計算變得非常復雜，常用的磁路計算方法為“場化路”的方法[1]有局限性，較小的計算量情況下，比較適用，隨著計算機技術發展，美國的Ansys 公司推出的軟件，可以通過有限元方法對電磁場進行有效計算，目前，永磁電機正在向多功能化、大轉矩和微型化方向發展。

1.2 國內外現狀

目前，國內外伺服系統現狀向著三個方向發展，歸納大致如下。

(1)交流化

據統計，在1970年前，小慣量的伺服電動機采用直流方式。交流電動機開始于1970年之后，交流伺服電機開始大范圍覆蓋，在美國、德國等工業化國家，更加是達到80%，可見隨著永磁材料性能不斷研發，成本不斷下降，控制策略進一步研究，永磁體式轉子的永磁同步電機伺服系統應用范圍會越來越廣，交流伺服系統成為主流。

(2)數字化

從目前微處理芯片的發展，基于DSP處理器的數字化的伺服控制系統正在取代傳統的模擬電子原器件伺服控制系統，數字化的發展，使得原來復雜的硬件結構越來越少，取而代之是優化的軟件系統設計，這樣使得電機智能控制更加科學、便利。

(3)微型化

應用于輸出模塊的晶體管，比如絕緣門極晶體管(IGBT)、大功率晶體管(GTR)等半導體元件，可以把這些晶體管與電路控制部分合為一個部分，智能化功率模塊，這樣結構設計簡化而且整個系統變得微型化。

2 基本結構和分類

永磁同步電機轉子結構如圖1所示，按照永磁體在轉子中的位置和形狀,可以歸為面裝式、內裝式和插入式有三種[2]。面裝式結構：內徑小，并且氣隙大，轉動過程中所需要的慣量較小，同時針對定位轉矩和繞組的電感要求不高，具有好的精準性和良好的可操作性，在交流永磁伺服電機中應用較為廣泛；插入式顧名思義是將永磁體插入轉子表面的凹槽中，這樣對永磁體受到保護，擁有較好的動態性，主要用于永磁同步電機相應的調速系統中，但是容易漏磁而且價格較高，它的充磁方式常為徑向充磁，因磁阻轉矩因素，電機功率密度顯著上調；內裝式永磁同步電機是將磁體放在轉子鐵心內部，因此制造過程復雜，成本過高。

圖1 轉子結構

按照感應電動勢波形劃分，永磁同步電機分為正弦波永磁同步電機和梯形波永磁同步電機，梯形波永磁同步電機又叫永磁無刷直流電動機，與有刷直流電機不同，基本原理是將有刷直流電機的轉子與定子調換，使梯形波電流直接作用在定子繞組上，產生恒定的電磁轉矩，沒有了機械換向器與電刷，就不會引起換向產生的火花、電機的機械噪音等不足，因此在家電、自動化領域、工業等領域廣泛應用。但是電流換相時產生的力矩波動，對于永磁無刷直流電動機是不可避免的，這是由于永磁無刷直流電動機三相電樞繞組中任意時刻，都是只有兩相通電，電機感性負載的特性導致實際電樞電流并不是理想的梯形波，疊流現象的出現力矩波動，正弦波永磁同步電機，無轉矩波動缺陷，轉矩平穩性好，適合在對力矩波動要求嚴格的環境中使用，如航空航天、高精度實驗臺等環境應用。

3 控制策略

永磁同步電機由定子與轉子組成，定子產生的是空間旋轉磁場，轉子是在定子產生的磁場中進而產生勵磁磁場。定子的結構包括硅鋼片、繞組和端蓋，固定在電機的外殼上，轉子由永磁鐵、磁軛和鐵心軸承構成，當工作的時，轉子產生磁動力，同時與定子產生的三相電流組合而成為電樞磁動力，這就是電樞反應。永磁同步電機依據控制策略可以分為矢量控制和直接轉矩控制，都是基于多變量的非線性數學。

3.1 矢量控制

這種控制系統始于1971年的德國工程師Blaschke設計了矢量旋轉器 VR的算法和運算電路，提出在磁場定向坐標系上控制定子電樞電流的想法，于是在感應電動機上實現了與直流電動機對轉矩的瞬時控制，之后他的導師W.Le-onhard 教授完成了定向矢量控制系統從理論到實踐的研究，從此矢量控制技術逐漸成熟，在各個領域得到廣泛應用，無論是軋鋼機傳動系統，還是很小的伺服系統，都有矢量控制的成功應用。

矢量控制又稱為解耦控制，即對磁通和轉矩分別獨立的控制，根據這一想法，針于永磁同步電機，只需找到可以單獨控制的定子磁鏈電流和單獨控制的電磁轉矩的轉矩電流，便可以實現像直流電機一樣好的動態性能，因此矢量控制方法也多樣化的。目前最主要的控制方法有：恒轉矩角控制、單位電流輸出最大轉矩的控制法、功率因數恒定為 1控制法、弱磁控制法等。

(1)恒轉矩角控制法

恒轉矩角控制法是使轉矩角始終維持在 90°，輸出的電磁轉矩與q軸電流成正比，電樞反應為零，優點是實現簡單，效果與直流電機相似，缺點為漏感壓降和功率因數都與電磁轉矩影響關系密切，因此，這種方法受限于對低速性能場所。

(2)單位電流輸出最大轉矩的控制法

對于凸極式永磁同步電動機，在相同電磁轉矩輸出下，其輸出的定子電流最小，電機銅耗最低，逆變器容量可以選得最小，系統成本得到降低，因此它是較為廣泛使用的一種電流控制方法。

(3)功率因數恒定為 1控制法

當功率因數恒定為 1時，逆變器的容量便可以充分利用，因此降低和之匹配的逆變器的容量，但是這種方法在逆變器輸出同等電流時，它的輸出電磁轉矩較小。

(4)弱磁控制法

永磁同步電動機弱磁控制的思想原理是借助弱磁來拓寬調速范圍。當電動機的極限運行于恒功率區時，這時候電機的端電壓便達到了極限電壓值，通常采用降低直流電動機的勵磁電流的手段，來得到更大的轉速，滿足電壓平衡方程。也就是說，他勵直流電動機可以通過減小勵磁的電流從而減小勵磁的大小，實現弱磁增速的效果。由于永磁同步電動機的勵磁磁動勢由轉子永磁體產生而不可調節，因電動車此通常采取調節直軸的電流的方法來減小勵磁磁動勢，實現弱磁增速效果。弱磁控制法多應用于多人運輸車和廠房的叉車、機加工的機床主軸等場合。

3.2 直接轉矩控制

直接轉矩控制德國魯爾大學的 M.Depenbrock 教授提出的，與矢量控制比較，直接轉矩控制系統采取在定子上，用靜止坐標系，構建定子電磁轉矩和磁鏈的模型，然后通過電壓矢量到達電磁轉矩和定子磁鏈幅值的控制，同時由于沒有電流閉環結構，因此它具有控制結構簡單和轉矩相應快的特點，特別是瞬態轉矩響應場所優勢巨大，如具有大慣量負載的電汽機車。

直接轉矩控制系統存在在低速區開關頻率低，導致轉矩脈動大問題。這樣降低低速轉矩脈動成關注的熱點，因此，包括采用離散空間矢量調制方法、優化電壓矢量作用時間方法、智能控制算法方法和模糊控制理論來控制方法等，但是這些運算量都較大，處理器的運算速度和存儲容量要求較高。

3.3 控制算法融合技術

矢量控制和直接轉矩控制不同之處在于：矢量控制系統專注于定子總磁鏈在轉子磁鏈方向上的定向研究，把定子總磁鏈通過坐標變換，定子電流在按轉子磁鏈定向的坐標系上分解，分成勵磁分量和電磁轉矩分量，這樣達到定子磁通和電磁轉矩的分別控制，實現解耦；而直接轉矩控制系統專注于定子總磁鏈矢量本身的定向研究，永磁同步電動機是多變量系統，將這個系統分解成獨立的單變量定子磁鏈幅值和電磁轉矩，然后將兩個子系統分別控制，實現解耦。一般，直接轉矩控制系統可以達到更快的動態轉矩響應，而矢量控制可以到達較好的低速穩態性能和較寬調速范圍；文獻[3]提出了基于定子磁鏈方向同步旋轉坐標系下的空間矢量脈寬調制轉矩控制策略，并且在靜止坐標系中。該控制方案融合了直接轉矩控制與矢量控制策略，而且實現了精確動態補償定子磁鏈幅值和電磁轉矩誤差的目的，降低了轉矩脈動。

4 結語

本文主要分析了矢量控制、直接轉矩控制和控制算法融合技術在永磁同步電機控制中的應用。 這些控制方法各有優點和缺點，在實際應用和理論分析中，應當根據具體情況，采用與之相應的控制策略，隨著技術的發展，永磁同步電機在控制策略方面不斷發展因此, 開展永磁同步電機控制技術的研究, 促進數字化、智能的控制方法的應用, 是今后研究一個關鍵點。