永磁電機(jī)的矢量控制技術(shù)應(yīng)用

陸亞川 尹洋 譚澤鑫

摘要：永磁電機(jī)因為具有良好的性能，被應(yīng)用于醫(yī)療器械，化工，工業(yè)機(jī)器人等多個領(lǐng)域。而永磁電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度，高動態(tài)性能，特別是其中用到的坐標(biāo)變換的方法，實現(xiàn)模擬直流電機(jī)的控制方法來對永磁電機(jī)進(jìn)行控制，各個物理量由交流量轉(zhuǎn)化為直流量的巧妙構(gòu)思更讓我們能更深入的了解永磁電機(jī)的矢量控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：坐標(biāo)變換；調(diào)速系統(tǒng)；空間電壓矢量；磁通轉(zhuǎn)矩

正文：

在現(xiàn)代生活中，無論是電動機(jī)還是發(fā)電機(jī)都是非常常見的，而在電機(jī)中，有一種使用永磁材料制成的電機(jī)——永磁電機(jī)。它的特別之處就在于材料的特殊，包括基于碳鋼，鐵氧體，稀土永磁等永磁材料。和傳統(tǒng)的交流同、異步電機(jī)、直流電機(jī)相比，永磁電機(jī)有體積小、重量輕、方便控制、以及過載能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)的優(yōu)秀特質(zhì)。這一特殊的電機(jī)早在我國古代就已經(jīng)產(chǎn)生并且被人類挖掘出來，距今已經(jīng)有一段漫長的光年，現(xiàn)如今永磁材料的產(chǎn)量，性價比都在顯著提高；市場發(fā)生了巨大的改變；我國也已經(jīng)成為永磁材料的生產(chǎn)中心，大到人造衛(wèi)星，小到電話耳機(jī)，都和永磁電機(jī)息息相關(guān)。

對永磁電機(jī)進(jìn)行深度剖析。永磁電機(jī)分為無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)[1]。我們主要探討的永磁電機(jī)控制系統(tǒng)是的控制系統(tǒng)是永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，其核心在于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采用矢量控制驅(qū)動系統(tǒng)。矢量控制技術(shù)是由交流變頻技術(shù)不斷發(fā)展而來，不少偉大的科學(xué)家提出的相關(guān)理論對于矢量控制技術(shù)的研究起到了很大的幫助，例如：德國西門子等提出的“感應(yīng)電機(jī)磁場定向的控制原理”，為矢量控制提供了理論基礎(chǔ)。矢量控制系統(tǒng)在日常生活中也被很好的利用起來。像是在電動汽車，空調(diào)電冰箱等家電中的應(yīng)用。我們知道在談到空調(diào)時，經(jīng)常會提到變頻的概念，而變頻就和矢量控制技術(shù)有著莫大的關(guān)系。簡而言之，矢量控制就是一種改良版變頻調(diào)速控制方式。

一、永磁電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展過程

1.不同電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特點

在交流電動機(jī)中，主要分為異步電動機(jī)和同步電動機(jī)。依照轉(zhuǎn)差功率的不同，異步電動機(jī)存在三種類型，分別是轉(zhuǎn)差功率的消耗型、回饋型、不變型。早期使用的是轉(zhuǎn)差功率消耗型，顯而易見，轉(zhuǎn)差功率消耗型消耗很大，而效率卻不高，高投資低回報的典型。它主要采取的方式是通過調(diào)節(jié)輸出功率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差功率。轉(zhuǎn)差功率回饋型的調(diào)速系統(tǒng)是采用串級調(diào)速的方式，和消耗型相比，它的效率有提高，主要原因是部分的轉(zhuǎn)差功率回送到了電網(wǎng)上。轉(zhuǎn)差功率不變型主要是變頻和變級兩種調(diào)速同時作用，這種類型中轉(zhuǎn)差功率基本保持不變，整個系統(tǒng)的有效功率會隨著輸出功率發(fā)生變化，運行效率比較高，調(diào)速性能也是在三種類型中最好的。

2.永磁電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分析

再者是同步電機(jī)，它運行時沒有轉(zhuǎn)差。要進(jìn)行調(diào)速就必須通過改變主磁場的運行速度。永磁電機(jī)與傳統(tǒng)的同步電機(jī)沒有太大的區(qū)別。那么如何改變主磁場的運行速度呢？

首先我們來看定子電壓和定子頻率之間的關(guān)系。頻率在較低的值時，定子電壓會隨著定子頻率的增加而增加，同時是按照某種線性關(guān)系變化的。換句話說，定子頻率在一定范圍內(nèi)和定子電壓成正比。當(dāng)定子頻率上升到轉(zhuǎn)折點時，它與定子電壓之間的關(guān)系發(fā)生了變化，不再是正比的關(guān)系。從轉(zhuǎn)折點開始，定子頻率無論怎么增加，定子電壓都不會發(fā)生變化，一直保持在某一個數(shù)值。這個時候，定子電壓恒定，定子頻率繼續(xù)增加，磁場就會逐漸減小，永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)速提高。這種通過增加定子頻率減小主磁場的方法叫做弱磁升速。

我們所理解的矢量控制技術(shù)是高效的控制技術(shù)，它能使調(diào)速系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能。

二.矢量控制技術(shù)的基本原理及分析

1.矢量控制技術(shù)基本原理

矢量控制技術(shù)研發(fā)的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩的控制能力，但歸根結(jié)底不變的是對定子電流的控制。在定子側(cè)的物理量，像是電壓，電動勢，電流等都是交流量，都會隨著時間的變化而發(fā)生變化的，交流量的空間矢量在空間中的控制調(diào)控很難實現(xiàn)，所以需要借助坐標(biāo)變換，使各物理量由交流量變?yōu)橹绷髁浚瑥亩沟酶玫目刂坪驼{(diào)節(jié)。矢量控制的特點是分別控制永磁電機(jī)中勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，采用信號采集的原理檢測定子電流，把定子電流分成勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流兩部分，由控制兩部分電流的相位和幅值達(dá)到控制定子電流的最終目的。矢量控制的最終目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實施依然是落實到對定子電流（交流量）的控制上[2]。

由矢量控制技術(shù)的目的能夠了解到矢量控制技術(shù)的基本思想，就是在普通的交流電動機(jī)上設(shè)法模擬直流電動機(jī)相關(guān)的規(guī)律，將電流矢量分解到磁場定向坐標(biāo)中，形成兩個電流分量，一個是產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量，另一個是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量。分解這兩個電流分量依照的是分解變量前后的功率不變。而分解后的兩個電流分量在磁場定向坐標(biāo)中相互垂直，互不干擾，分別對磁通和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣做的目的除了使系統(tǒng)更加簡化，也可獲得很好的動態(tài)特性。

2.矢量控制中坐標(biāo)變換方式

矢量控制技術(shù)中的坐標(biāo)變換主要分為兩步，第一步是進(jìn)行Clarke變換，第二步是進(jìn)行Park變換。

對于三相電機(jī)而言，通入定子的三相電流在abc坐標(biāo)下會產(chǎn)生一個合成磁勢，如果我們把它分解到α-β坐標(biāo)系下，即有一個脈動磁勢，它是由α-β軸上的繞組等效平衡電流合成產(chǎn)生的。但是它所起到的效果跟abc是一樣的，根據(jù)磁勢和功率不變的原則通過正交變換，體現(xiàn)了等效思想。這個過程我們稱之為Clarke變換，就是三相到兩相靜止的變換。這一變換首先將基于三軸二維的定子靜止坐標(biāo)系的各物理量轉(zhuǎn)換為二軸的定子靜止坐標(biāo)系中。

在三相到兩相靜止變換后，轉(zhuǎn)矩仍然依靠轉(zhuǎn)子通量。我們將三相的電流先轉(zhuǎn)換到靜止坐標(biāo)系，獲得了基于α-β二軸定子靜止坐標(biāo)系的定子電流矢量，接下來是將定子電流矢量等效到d q軸上，d q軸也叫直軸和交軸，等效后的兩個電流量正好是常數(shù)了。通過控制器對其速度電流環(huán)進(jìn)行控制，控制id相當(dāng)于是控制了磁通，控制iq相當(dāng)于是控制轉(zhuǎn)矩。變換至隨轉(zhuǎn)子磁通同步旋轉(zhuǎn)的二軸系統(tǒng)中，也就是說我們需要坐標(biāo)系以轉(zhuǎn)子相同的速度旋轉(zhuǎn)。這種變換叫做旋轉(zhuǎn)變換或Park變換。這樣一來，大大的方便了控制和計算。轉(zhuǎn)換后的定子電流在d q軸上的分量決定電磁轉(zhuǎn)矩的大小，永磁電機(jī)矢量控制的實質(zhì)就是通過對定子電流的控制來實現(xiàn)永磁電動的轉(zhuǎn)矩控制。

三.永磁電機(jī)空間電壓矢量控制

空間電壓矢量控制和傳統(tǒng)意義上的磁場定向控制策略有一定的不同。但兩者相比之下，空間電壓矢量控制是磁場定向控制策略的進(jìn)化，它是一種新型的矢量控制技術(shù)。目前，我國變頻器生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的變頻器大都是采用普通的SPWM控制方式[3]。但是電壓矢量控制具有損耗小，調(diào)制范圍更高，電壓的利用率高的特點。磁場定向控制策略的脈寬調(diào)制常見是以正弦脈寬調(diào)制。永磁電機(jī)具有正弦型的反電動勢波形，因此定子電壓，定子電流為正弦波形，而空間電壓矢量調(diào)制不再是常見的脈寬調(diào)制，其目的在于使輸出電壓輸出波形更加接近于圓形，這樣電機(jī)就能獲得理想的圓形磁鏈。

我們的最終目的很清楚：使電機(jī)獲得圓形磁場。電動機(jī)的三相定子繞組相當(dāng)于一個三相平面靜止坐標(biāo)系。我們需要的三相電壓空間矢量分別在三相定子繞組上，三相電壓空間矢量的特點是三個定子電壓在空間中的時間相位各自相差120°，且它們的大小隨著時間按正弦規(guī)律做變化。現(xiàn)在我們將三相定子電壓疊加合成一個空間矢量。此時的這個空間矢量幅值不變，以w=2πf角速度旋轉(zhuǎn)的空間矢量。圓形磁場就會在幅值不變，角連續(xù)變化的情況下產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

[1]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1997；

[2]張劍.無位置傳感器永磁交流伺服系統(tǒng)控制策略的研究與實現(xiàn).天津大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.12；

[3]張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù).北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1998；

（作者單位：成都市西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）