永磁同步電機(jī)發(fā)展與控制仿真研究[共18頁(yè)]

1、永磁同步電機(jī)發(fā)展與控制仿真研究1 永磁同步電機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展永磁電動(dòng)機(jī)的發(fā)展同永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)，永磁材料的磁性能和價(jià)格很大程度上決定了永磁電動(dòng)機(jī)的綜合性能與應(yīng)用普及范圍。1831年，世界上出現(xiàn)的第一臺(tái)電機(jī)是由Barlow發(fā)明的永磁電機(jī)，但是，由于當(dāng)時(shí)采用的天然磁鐵磁性能太差，電機(jī)的磁能積很低，制成的電機(jī)體積龐大而容量很小，很快被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。人們對(duì)永磁材料進(jìn)行深入研究的初期，相繼發(fā)現(xiàn)了碳鋼、鎢鋼、鈷鋼等多種永磁材料。20世紀(jì)30年代鋁鎳鈷磁鋼的問(wèn)世，使得永磁電動(dòng)機(jī)真正有了實(shí)用價(jià)值，并快速發(fā)展起來(lái)。到20世紀(jì)50年代，鐵氧體永磁出現(xiàn)，由于價(jià)格低廉，各種微型和小型電動(dòng)機(jī)紛紛使用永磁體勵(lì)

2、磁。然而，由于鋁鎳鈷永磁和鐵氧體永磁存在矯頑力偏低、剩磁密度不高等固有缺陷，在電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中受到限制。直到20世紀(jì)6070年代，第一代和第二代稀土釤鈷永磁材料SmCo5，Sm2Co17相繼問(wèn)世，其優(yōu)異的磁性能使得永磁電機(jī)的發(fā)展呈現(xiàn)出新的、繁榮的生機(jī)，但是釤、鈷均為稀有金屬，價(jià)格昂貴，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了困難。1983年，日本住友特殊金屬公司、美國(guó)通用汽車(chē)公司分別研制成功稀土釹鐵硼永磁材料，國(guó)際上稱(chēng)為第三代稀土永磁材料。NdFeB磁鋼磁能積高，性能優(yōu)越，而且原材料豐富，價(jià)格較便宜。從1984年起，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研制高性能永磁電機(jī)。日本住友公司和美國(guó)通用電氣公司分別批量制造用于計(jì)算機(jī)外存儲(chǔ)器的音圈

3、電機(jī)及NdFeB永磁汽車(chē)起動(dòng)電機(jī)；德國(guó)西門(mén)子公司經(jīng)十多年努力，采用多種結(jié)構(gòu)，研制成功用于化纖工業(yè)的高速永磁電動(dòng)機(jī)和用于交流調(diào)速系統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)。80年代前后，應(yīng)用NdFeB材料制造高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究發(fā)展很快。其中對(duì)于固定頻率下永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、自起動(dòng)性能的研究，發(fā)表了較多的論文，但也多局限于電機(jī)穩(wěn)態(tài)特性的分析，沿用的方法與傳統(tǒng)交流電機(jī)的分析方法相近。80年代期間，國(guó)際上發(fā)表了大量永磁電機(jī)的論文，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。1986年，Tomy Sebastian發(fā)表了永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）建模的文章。1987年，Tomy Sebastian又

4、發(fā)表了關(guān)于永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模的文章，從理論上系統(tǒng)分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)利用PARK模型隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的dq0系統(tǒng)，但仍將d，q軸等效繞組作為兩個(gè)無(wú)耦合、參數(shù)恒定的獨(dú)立部分來(lái)處理。B. Sneyers等學(xué)者最早提出了在建立PMSM數(shù)學(xué)模型時(shí)，考慮到由電機(jī)電樞電流交軸分量引起的交叉耦合問(wèn)題。其中，F(xiàn). Parasiliti等采用有限元法研究PMSM的模型，同時(shí)計(jì)及交叉飽和、交叉耦合的影響修正電機(jī)模型，被認(rèn)為是較為有效的分析研究方法。在高性能永磁電機(jī)產(chǎn)品方面，國(guó)外利用稀土永磁的優(yōu)異性能研制開(kāi)發(fā)高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)已有20多年的歷史。1978年，法國(guó)CEM公司推出ISOSYN系列0.551

5、8.5kW稀土鈷永磁同步電動(dòng)機(jī)，效率比一般異步電動(dòng)機(jī)高2%8%，功率因數(shù)提高0.050.15，但因當(dāng)時(shí)采用釤鈷永磁體成本太高，未能推廣應(yīng)用。我國(guó)許多高校如清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)等和一些科研單位自1980年開(kāi)始就進(jìn)行高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)的研制，取得了明顯的效果。先后開(kāi)發(fā)了用于紡織行業(yè)中織布機(jī)、化纖機(jī)械、風(fēng)機(jī)泵類(lèi)的多種規(guī)格和型號(hào)的高性能釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，特別是0.8kW 紡織專(zhuān)用永磁同步電動(dòng)機(jī)，效率高達(dá)91%，功率因數(shù)高于0.95，節(jié)電率高達(dá)10%以上?，F(xiàn)代永磁電機(jī)的特點(diǎn)是高力能指標(biāo)、大功率密度、轉(zhuǎn)子奇異結(jié)構(gòu)、由永磁體產(chǎn)生新的變量。其研究?jī)?nèi)容更廣，對(duì)

6、分析研究所采用的方法和技術(shù)（如電路、磁路、網(wǎng)絡(luò)及場(chǎng)分析等）提出了更高的要求。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)永磁同步電機(jī)的研究主要有以下幾個(gè)方面：（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究由于稀土永磁電動(dòng)機(jī)具有很高的矯頑力，故充磁方向很薄的永磁體就可提供較高的氣隙磁密和磁勢(shì)。因此，除了傳統(tǒng)的徑向磁路結(jié)構(gòu)外，當(dāng)極數(shù)較多時(shí)，可采用切向磁路結(jié)構(gòu)或混合式結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)外都在研究永磁同步電動(dòng)機(jī)的各種轉(zhuǎn)子形狀，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則都是通過(guò)增加磁通、減弱電樞反應(yīng)或高速運(yùn)行來(lái)提高功率密度和效率。（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)在稀土永磁材料價(jià)格昂貴的情況下，應(yīng)考慮如何合理地選擇永磁體的工作點(diǎn)，使之在滿足電機(jī)性能指標(biāo)前提下，使所用的永磁材料最少，即電機(jī)的成本最低或體積最小。由于永

7、磁體尺寸大小直接影響電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因而可直接選用永磁體形狀作為設(shè)計(jì)變量，而將其他尺寸都用這些變量來(lái)表示。在約束條件中，電抗參數(shù)、定子齒部和軛部磁密、定子電密、起動(dòng)電流以及槽滿率等都應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)，而效率、功率因數(shù)和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等則應(yīng)大于某一給定值。（3）磁場(chǎng)分析計(jì)算和數(shù)值方法的研究永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中，除了電機(jī)新結(jié)構(gòu)的發(fā)明創(chuàng)造外，最重要的發(fā)展可說(shuō)是用有限元方法進(jìn)行磁場(chǎng)計(jì)算。為了充分發(fā)揮永磁材料的優(yōu)異性能，永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)電機(jī)有很大的差別。計(jì)算永磁電機(jī)性能時(shí)，不但不能套用傳統(tǒng)的磁路計(jì)算方法，而且和一般電機(jī)磁場(chǎng)分析也有很大的不同。永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，永磁材料的磁特性為各向異性等，這些都給磁場(chǎng)分析

8、帶來(lái)了新的課題。對(duì)于某些大容量或特殊結(jié)構(gòu)的稀土永磁電機(jī)，為了提高它的設(shè)計(jì)精度，不僅要進(jìn)行二維磁場(chǎng)分析，還需進(jìn)行三維磁場(chǎng)分析；不但要進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)分析，還要進(jìn)行瞬變磁場(chǎng)分析。（4）測(cè)試技術(shù)的研究由于永磁電機(jī)是永磁體勵(lì)磁，磁場(chǎng)不能調(diào)節(jié)，而且有一些永磁電機(jī)需要充磁后再裝配和檢測(cè)，因此某些傳統(tǒng)的參數(shù)和性能測(cè)試方法不能直接應(yīng)用。近年來(lái)永磁電機(jī)的測(cè)試技術(shù)得到了很大的發(fā)展，例如電機(jī)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)參數(shù)的測(cè)定、電機(jī)端部三維靜磁場(chǎng)的測(cè)試等。對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)交、直軸參數(shù)，特別是超瞬變參數(shù)物理概念的分析和測(cè)試方法是當(dāng)前的重要研究課題。作為當(dāng)前高性能節(jié)能電機(jī)的熱點(diǎn)研究對(duì)象，永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)變化：第

9、一，開(kāi)發(fā)超高速電機(jī)，速度快速增大；第二，電機(jī)呈現(xiàn)大功率高轉(zhuǎn)矩；第三，電機(jī)體積微型化；第四，智能化。隨著永磁材料的不斷發(fā)展，電力電子和控制技術(shù)的進(jìn)步，稀土永磁電機(jī)將越來(lái)越多地替代傳統(tǒng)電機(jī)，應(yīng)用前景非常廣闊。稀土永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造工藝尚需不斷地進(jìn)行創(chuàng)新，電磁結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果更加精確，制造工藝更加先進(jìn)適用，需運(yùn)用多學(xué)科理論和系統(tǒng)工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高性?xún)r(jià)比，促進(jìn)電機(jī)學(xué)科和行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。2 永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)2.1 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子磁路很大程度上決定了電動(dòng)機(jī)性能，是本體設(shè)計(jì)方面的重點(diǎn)。磁路設(shè)計(jì)主要是對(duì)永磁體安裝尺寸的設(shè)計(jì)，并結(jié)合隔磁橋、轉(zhuǎn)子鼠籠槽、通風(fēng)孔等結(jié)構(gòu)的合理選型，旨在提

10、高電動(dòng)機(jī)的效率、功率密度和過(guò)載能力，獲得良好的起動(dòng)及運(yùn)行性能。設(shè)計(jì)時(shí)通常要從永磁體的用量、漏磁系數(shù)、電抗/電感參數(shù)等方面綜合考慮。2.1.1 轉(zhuǎn)子類(lèi)型選擇永磁電機(jī)的定子一般基本相同，但轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)卻多種多樣。按安裝定、轉(zhuǎn)子位置關(guān)系來(lái)分，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由兩大類(lèi)組成，即為內(nèi)、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。通常采用的是內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)。內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)，如果按照永磁體的充磁方向來(lái)分，分別是徑向式、切向式及軸向式三種；而按照永磁體在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的位置，可分為內(nèi)置式、表面式和爪極式。下面對(duì)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)單介紹。本文采用內(nèi)置式徑向式永磁電機(jī)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，它的永磁體表面與定子的鐵心內(nèi)圓之間，有鐵磁材料做成

11、的極靴，內(nèi)部可放置銅條及鑄鋁籠，起到阻尼與啟動(dòng)作用，動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能好，被廣泛使用在要求有自起動(dòng)能力或動(dòng)態(tài)性能高的永磁電機(jī)。徑向式結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)為這種結(jié)構(gòu)的漏磁系數(shù)較小、在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上無(wú)需隔磁措施且極弧系數(shù)較易控制、轉(zhuǎn)子上的沖片有較高的機(jī)械強(qiáng)度、安裝永磁體材料后轉(zhuǎn)子不易發(fā)生變形等。切向式結(jié)構(gòu)：這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)漏磁系數(shù)偏大，相對(duì)于徑向式制造工藝及成本會(huì)升高。但優(yōu)點(diǎn)為在單個(gè)極距下的磁通能由相鄰的兩個(gè)磁極通過(guò)并聯(lián)來(lái)提供，能夠獲得比較大每極磁通，特別是當(dāng)永磁電機(jī)的極對(duì)數(shù)比較多的時(shí)候更加明顯。2.1.2 永磁體材料的選取永磁體的選取包括永磁體尺寸的設(shè)計(jì)和永磁體材料的選擇。稀土永磁電機(jī)電磁計(jì)算一般都是先對(duì)使

12、用永磁體尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。永磁體尺寸包括永磁體軸向長(zhǎng)度、寬度及磁化方向長(zhǎng)度。一般永磁體軸向長(zhǎng)度取得與電機(jī)鐵心的軸向長(zhǎng)度相同或稍微小于鐵心軸向長(zhǎng)度，故實(shí)際中只需設(shè)計(jì)兩個(gè)永磁體的尺寸（即磁化方向長(zhǎng)度和永磁體寬度）。在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，還需綜合考慮下列各因素：1）磁化方向長(zhǎng)度的確定應(yīng)當(dāng)使電機(jī)直軸電抗選擇合理，因?yàn)榇呕较蜷L(zhǎng)度是決定直軸電抗一個(gè)重要因素，而且直軸電抗又影響電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、輸出功率等性能。2）磁化方向長(zhǎng)度不能過(guò)薄。一方面，因?yàn)榇呕较蜷L(zhǎng)度太薄會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)永磁體廢品率增加，使永磁體成本變大，而且永磁體不易運(yùn)輸及裝配；另一方面，永磁體太薄將會(huì)使永磁體容易退磁，降低了電機(jī)的可靠性及穩(wěn)定性。3）在設(shè)計(jì)磁化方向

13、長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)使永磁體工作在于最佳工作點(diǎn)。因?yàn)槠涔ぷ鼽c(diǎn)更大程度上決定于永磁體磁化方向長(zhǎng)度磁化方向長(zhǎng)度，在最佳工作點(diǎn)工作時(shí)永磁電機(jī)的出力會(huì)穩(wěn)定，且對(duì)提高電機(jī)功率密度有利。永磁體用量決定了其所能提供的磁動(dòng)勢(shì)大小，從而決定了一定體積下電動(dòng)機(jī)的容量。理論上講，電機(jī)外形尺寸確定后，永磁體用量越大，功率密度越高。然而，轉(zhuǎn)子上放置永磁體的空間是有限的。特別的，對(duì)于內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，需要考慮轉(zhuǎn)子沖片各部分機(jī)械強(qiáng)度要求；對(duì)于轉(zhuǎn)子上安裝鼠籠繞組的異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，還要與轉(zhuǎn)子槽競(jìng)爭(zhēng)安裝空間；對(duì)于轉(zhuǎn)子鐵心開(kāi)有通風(fēng)孔或通風(fēng)道的電動(dòng)機(jī)，永磁體的放置無(wú)疑更加困難。與此同時(shí)，由于永磁材料價(jià)格較貴，出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，永磁體的用量應(yīng)

14、在滿足電動(dòng)機(jī)性能要求的前提下盡可能的減少。2.1.3 漏磁系數(shù)分析漏磁系數(shù)是一個(gè)很重要的參數(shù)，它的大小不僅標(biāo)志著永磁材料的利用程度，而且對(duì)電動(dòng)機(jī)中永磁材料抗去磁能力和電動(dòng)機(jī)的性能也有較大的影響。當(dāng)漏磁系數(shù)較小時(shí)，說(shuō)明永磁體提供總磁通一定時(shí)，漏磁通相對(duì)較小，永磁體的利用率就高；但是，另一方面，漏磁系數(shù)太小也不利，漏磁系數(shù)小，表明對(duì)電樞反應(yīng)的分流作用小，電樞反應(yīng)對(duì)永磁體兩端的實(shí)際作用值變大，永磁體的抗去磁能力減弱。因此，需要盡可能準(zhǔn)確計(jì)算并在設(shè)計(jì)中選取合適的漏磁系數(shù)值。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)多種多樣，漏磁路徑復(fù)雜多變，用解析法計(jì)算漏磁系數(shù)的誤差較大，一般只能用作粗略估算。常用有限元法或矢量磁位法

15、來(lái)計(jì)算漏磁系數(shù)。2.1.4 交直軸電抗分析電抗參數(shù)受磁路結(jié)構(gòu)的影響較大，而其本身又影響電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能。傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)利用解析法來(lái)計(jì)算交、直軸同步電抗Xq和Xd，由于采用簡(jiǎn)化的計(jì)算模型和一些必要的假定，所得結(jié)果帶有一定的局限性。永磁同步電動(dòng)機(jī)電樞反應(yīng)電抗的計(jì)算方法和電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)不同，永磁體沒(méi)有電勵(lì)磁的開(kāi)路和短路狀態(tài)，永磁體的勵(lì)磁作用是固定存在的，因而不考慮永磁體作用的計(jì)算方法顯然沒(méi)有實(shí)際意義。而且交、直軸磁路同時(shí)經(jīng)過(guò)定、轉(zhuǎn)子齒部和定子軛部閉合，因而，交、直軸磁路之間的相互影響也不容忽略。電抗參數(shù)必須根據(jù)永磁同步電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的實(shí)際分布狀態(tài)來(lái)求取，需采用場(chǎng)的計(jì)算方法，用電磁場(chǎng)有限元分析方法計(jì)算永磁同

16、步電機(jī)的同步電抗Xd和Xq。2.2 運(yùn)行性能改善與優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)電動(dòng)機(jī)在工程應(yīng)用中的運(yùn)行性能包括效率、功率密度、起動(dòng)能力和過(guò)載能力等，調(diào)速運(yùn)行時(shí)還要求較寬的轉(zhuǎn)速范圍。運(yùn)行性能提升可通過(guò)結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不同性能對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整的要求往往存在矛盾。電機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)可以是單一的也可以是多種組合式的，在保證各項(xiàng)運(yùn)行性能指標(biāo)的前提下，還包含體積、重量最小或者成本最低等要求，由于永磁材料的用量往往是決定電動(dòng)機(jī)造價(jià)的主要因素，也常常把永磁體體積作為優(yōu)化目標(biāo)。選取不同的目標(biāo)函數(shù)，得到的優(yōu)化結(jié)果可能存在較大的差異，特別是選取多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化時(shí)，電機(jī)尺寸的微小變化可能對(duì)電機(jī)性能參數(shù)帶來(lái)較大的影響。因此，需

17、合理選擇優(yōu)化目標(biāo)。2.3 電機(jī)系統(tǒng)匹配合理性設(shè)計(jì)在大多數(shù)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，電動(dòng)機(jī)工作在某一特定運(yùn)行狀態(tài)下，針對(duì)該工況來(lái)設(shè)計(jì)額定工作點(diǎn)，可獲得額定最佳性能。隨著節(jié)能工程的大力推進(jìn)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合開(kāi)始采用變頻調(diào)速來(lái)提高系統(tǒng)整體效率，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行不再局限于某一特定工作點(diǎn)，而是處于變化的轉(zhuǎn)速和變化的負(fù)載狀態(tài)下。相應(yīng)地，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)也不再僅僅著眼于額定工作點(diǎn)，而要根據(jù)使用對(duì)象和應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)多個(gè)工作點(diǎn)或一段工作區(qū)域內(nèi)的電機(jī)參數(shù)和性能進(jìn)行計(jì)算和分析。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路顯然難以體現(xiàn)出電動(dòng)機(jī)的區(qū)域性運(yùn)行特性以及隨工況的變化性特點(diǎn)，所以尋求合適的設(shè)計(jì)路線是解決系統(tǒng)匹配合理性問(wèn)題的關(guān)鍵。3

18、 永磁同步電機(jī)控制的關(guān)鍵技術(shù)永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：VF控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制。這里簡(jiǎn)要介紹一下這幾種控制技術(shù)。3.1 恒壓頻比控制VF控制是實(shí)際上一種開(kāi)環(huán)控制方法，主要對(duì)輸入電機(jī)的電壓和頻率進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)將參考電壓和頻率輸入到實(shí)現(xiàn)控制策略的調(diào)制器中，最后由逆變器產(chǎn)生一個(gè)正弦電壓施加在電機(jī)的定子繞組上，使之運(yùn)行在指定的電壓和參考頻率下。按照這種控制策略進(jìn)行控制，供電電壓的基波幅值隨著速度指令成比例的線性增長(zhǎng)，從而保持定子磁通的近似恒定。這種控制策略簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速通過(guò)電源頻率進(jìn)行控制，不存在異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)差補(bǔ)償問(wèn)題。但同時(shí)，由于系統(tǒng)中不引入速

19、度、位置等反饋信號(hào)，因此無(wú)法實(shí)時(shí)捕捉電機(jī)狀態(tài)，致使無(wú)法精確控制電磁轉(zhuǎn)矩；在突加負(fù)載或者速度指令時(shí)，容易發(fā)生失步現(xiàn)象；也沒(méi)有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。因此，使用這種控制策略的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般用于對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性要求不高和精確性不高的場(chǎng)合，比如風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等負(fù)載的控制3.2 矢量控制目前，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)高性能控制常用的控制方法是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制。矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，電機(jī)中各個(gè)物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，各空間矢量都變成了直流量。按給定的要求對(duì)這些矢量進(jìn)行獨(dú)立的控制，就可以達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)的控制性能。根據(jù)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)、具體應(yīng)用場(chǎng)合和控制目的不

20、同，矢量控制有很多具體控制方法，例如：（1）id=0控制。這種方法最為簡(jiǎn)單，控制電機(jī)定子電流矢量位于q軸上，與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)正交，電磁轉(zhuǎn)矩只包含永磁轉(zhuǎn)矩，且與定子電流幅值成正比，控制電機(jī)電流就可以很好地控制電磁轉(zhuǎn)矩。主要缺點(diǎn)是隨著輸出力矩的增大，漏感壓降增大，功率因數(shù)急劇降低，且輸出轉(zhuǎn)矩中磁阻轉(zhuǎn)矩為0。（2）最大轉(zhuǎn)矩/電流控制。也稱(chēng)為單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩控制，即在滿足力矩要求條件下使定子電流最小，減小了銅耗，有利于逆變器開(kāi)關(guān)器件的工作，降低系統(tǒng)成本。而電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的dq軸分量都有關(guān)，對(duì)于隱極電機(jī)，不存在凸極轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩/電流控制就是id=0控制；對(duì)于凸極電機(jī)，采用最大轉(zhuǎn)矩/電流控制，在電機(jī)輸

21、出相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)定子電流比采用id=0控制時(shí)更小，這對(duì)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的運(yùn)行是很有意義的。（3）弱磁控制。這是永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行的重要控制方式，其核心思想是設(shè)法減小電機(jī)氣隙磁通，使電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)端電壓保持恒定。對(duì)于永磁同步電機(jī)，由于永磁體的磁勢(shì)無(wú)法調(diào)節(jié)，因此只有利用去磁電樞反應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流，即增加d軸去磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，為保證定子電流不超過(guò)電流極限值，在增加d軸電流分量同時(shí)相應(yīng)減小q軸電流分量，從而可以提高轉(zhuǎn)折速度，達(dá)到了擴(kuò)展電機(jī)運(yùn)行區(qū)域的目的。（4）最大輸出功率控制。是指永磁同步電機(jī)在弱磁運(yùn)行時(shí)，電機(jī)端電壓保持不變，在某一確定轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的電壓極限橢圓上存在一點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流矢量

22、使電機(jī)的輸入功率最大。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高控制性能和降低成本，人們也在不斷探索先進(jìn)的控制理論在永磁同步電機(jī)中的應(yīng)用，如：（l）轉(zhuǎn)子位置估計(jì)及無(wú)傳感器控制，減少傳感器是降低控制系統(tǒng)成本的重要途徑，在沒(méi)有轉(zhuǎn)子位置傳感器的情況下，需要用觀測(cè)器方法得出轉(zhuǎn)子位置。永磁同步電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子位置的精度要求很高，這也是問(wèn)題難點(diǎn)所在。在這方面的成果很多，主要利用定子端電壓和端電流計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和速度。（2）智能控制。包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，模糊控制及其他智能控制方法，能夠明顯地提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)性能和自適應(yīng)能力，在電機(jī)控制中的應(yīng)用也很有意義。3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制是在矢量控制策略后又一應(yīng)用廣泛的控制策略，它放棄了矢

23、量控制中解耦的思想，沒(méi)有通過(guò)控制定子電流，定子磁鏈等變量去間接控制電機(jī)，而是通過(guò)直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來(lái)控制其轉(zhuǎn)速。它并沒(méi)有像矢量控制一樣，用轉(zhuǎn)子磁鏈作為參考系，而是把定子磁鏈作為參考系，這樣就使磁鏈僅僅由定子電阻確定，大大弱化了電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)對(duì)控制策略的影響。確定了參考系后，只需測(cè)定定子的電壓和電流，就能通過(guò)空間矢量理論去計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩以及定子磁鏈。通過(guò)給定轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)矩以及給定的定子磁鏈和實(shí)際的定子磁鏈的誤差，去選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶窟M(jìn)行控制。3.4 無(wú)傳感器控制技術(shù)無(wú)傳感器控制技術(shù)是指在交流電機(jī)控制系統(tǒng)中，去掉位置和速度傳感器，通過(guò)各種不同的估計(jì)方法，得到轉(zhuǎn)子速度和位置的技術(shù)。我們知道無(wú)論是矢

24、量控制還是直接轉(zhuǎn)矩控制一般都需要對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行測(cè)量，以便完成矢量變換，或者電機(jī)轉(zhuǎn)矩角的控制。為獲得準(zhǔn)確可靠的位置信號(hào)，位置傳感器必須精確安裝、妥善維護(hù)。高精度速度傳感器的安裝，增加了對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)要求，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力也變差，成本增加，這在可靠性要求高的應(yīng)用場(chǎng)合(如軍用設(shè)備)會(huì)受到限制。因此，取消位置傳感器但系統(tǒng)仍具有良好的控制性能成為了電機(jī)控制領(lǐng)域的重要課題。無(wú)位置傳感技術(shù)的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)速信息的獲得，即如何借助所測(cè)量的電機(jī)電壓電流信號(hào)，準(zhǔn)確估計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置。在無(wú)傳感技術(shù)中，獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的方法主要是利用電機(jī)數(shù)學(xué)模型或者電機(jī)電磁特性構(gòu)造來(lái)完成電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)。這些方法主要包括：直接計(jì)算法

25、、反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)法、電感估計(jì)法以及各種狀態(tài)觀測(cè)器。目前常用的一些轉(zhuǎn)速估計(jì)方法主要有：模型參考自適應(yīng)(MRAS)估計(jì)法，全階狀態(tài)觀測(cè)器法，卡爾曼濾波器法和滑模觀測(cè)器法。其中模型參考自適應(yīng)(MRAS)估計(jì)法與全階狀態(tài)觀測(cè)器法雖然在理論上不存在太大的問(wèn)題，但是方法比較復(fù)雜，計(jì)算量較大，并且參數(shù)整定比較困難，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難?？柭鼮V波器法理論上具有很高的精度?？柭鼮V波的特點(diǎn)還在于采用了遞推算法，隨著觀測(cè)時(shí)間的變化，可以隨時(shí)處理新的情況，大大減少了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量和計(jì)算量，便于實(shí)時(shí)處理。但該算法計(jì)算量很大，濾波器很難確定實(shí)際系統(tǒng)的噪聲級(jí)別和算法中的卡爾曼增益，且受電機(jī)參數(shù)的影響較大?；Ｓ^測(cè)器(Slid

26、ing Mode Observer，SMO)方法是源于滑模變結(jié)構(gòu)控制的一種方法?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)具有響應(yīng)快，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)和外部干擾呈不變性的特點(diǎn)，可以保證系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定。尤為可貴的是滑模變結(jié)構(gòu)算法簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)。Z.Xu在2005年提出了一種滑模變結(jié)構(gòu)觀測(cè)器，用來(lái)估計(jì)磁鏈和速度。實(shí)驗(yàn)表明，這種方法有很強(qiáng)的魯棒性和準(zhǔn)確度。4 永磁同步電機(jī)的控制仿真4.1 弱磁控制原理永磁同步電機(jī)中，感應(yīng)電勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)電機(jī)的端電壓達(dá)到控制器直流側(cè)電壓時(shí)，PWM控制器將失去追蹤電流的能力。因此定子端電壓Us和相電流Is，受到逆變器輸出電壓和輸出電流極限（Usmax和Ismax）的限制。由此可得電流極限圓

27、電壓極限橢圓又因?yàn)椋噪妷簶O限橢圓方程可以改寫(xiě)為永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行范圍是受以滿足電流極限圓和電壓極限橢圓為條件限制的，即電機(jī)的電流矢量Is（其分量為Id與Iq）應(yīng)處于兩曲線共同包圍的面積內(nèi)，如圖l中陰影部分所示。由圖1可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，Id分量趨于增大，相應(yīng)的Iq分量必須減小，因此，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨轉(zhuǎn)速升高而下降，顯示出恒功率的特性。4.2 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型弱磁控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖2，采用雙閉環(huán)控制方案：速度環(huán)為控制外環(huán)，它使電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定的轉(zhuǎn)速值保持一致，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速、減速和勻速運(yùn)行，并且及時(shí)消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)等因素對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。電流環(huán)為控制內(nèi)環(huán)，它的作

28、用是控制逆變器在定子繞組上產(chǎn)生準(zhǔn)確的電流。根據(jù)模塊化建模的思想，將圖2中的控制系統(tǒng)分割為各個(gè)功能獨(dú)立的子模塊，其中主要包括：PMSM本體模塊、矢量控制模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊、弱磁控制模塊等，通過(guò)這些功能模塊的有機(jī)整合，就可在MatlabSimulink中搭建出PMSM 控制系統(tǒng)的仿真模型，并實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法。4.2.1 Park逆變換模塊Park逆變換模塊主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置角即圖2中的，按照Park逆變換的公式將基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電樞電壓Ud、Uq轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下Ua、Ub，Park逆變換的公式如下Park逆變換的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。圖3 Park逆變換模塊4.2

29、.2 空間矢量調(diào)制模塊SVPWM模塊由以下幾部分組成：(1) 扇區(qū)判斷模塊(2)X、Y、Z 生成模塊(2) t1、t2計(jì)算模塊(3) 切換點(diǎn)時(shí)間計(jì)算模塊(4) PWM波形發(fā)生模塊SVPWM模塊內(nèi)部各個(gè)部分的連接如下圖所示：4.2.3 弱磁控制模塊本文主要利用電流調(diào)節(jié)器輸出的電壓作為電壓外環(huán)，與給定的參考電壓進(jìn)行比較，來(lái)控制電機(jī)弱磁的開(kāi)通時(shí)刻，即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)弱磁。圖4為本文自動(dòng)弱磁的原理框圖。圖4 弱磁控制原理框圖自動(dòng)弱磁原理框圖中，Part I用來(lái)實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，基速以下運(yùn)行時(shí)主要采取最大轉(zhuǎn)矩電流比運(yùn)行控制策略。基速以上時(shí)，要采取弱磁控制，也就是原理圖中的Part II和Part III。

30、弱磁的開(kāi)通時(shí)刻主要由控制系統(tǒng)的同步PI電流調(diào)節(jié)器的輸出參考電壓來(lái)決定。當(dāng)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷升高時(shí)，控制系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器輸出的電壓接近電壓PWM調(diào)制的邊界，這時(shí)候如果繼續(xù)升速，電流調(diào)節(jié)器輸出的電壓就會(huì)很大，會(huì)導(dǎo)致電流調(diào)節(jié)器控制性能變差，從而失去了對(duì)系統(tǒng)的控制能力。為了解決這個(gè)問(wèn)題，就需要避免電流調(diào)節(jié)器的飽和，可以通過(guò)改變直軸電流的大小來(lái)解決此問(wèn)題，也就是說(shuō)要減小直軸的電流。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中引入電壓環(huán)調(diào)節(jié)，歸根到底是對(duì)電機(jī)磁鏈的調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)判斷電流調(diào)節(jié)器輸出電壓的大小，使弱磁控制的開(kāi)通可以自動(dòng)完成。在基速以下，電機(jī)的電流調(diào)節(jié)器輸出的電壓幅值ud、uq一般情況下不會(huì)高于Usmax，也就說(shuō)電

31、流調(diào)節(jié)器輸出電壓的幅值小于給定的參考值，這時(shí)候Part II不被激活， id=0。當(dāng)電機(jī)繼續(xù)升速，轉(zhuǎn)速達(dá)到基速時(shí)，電流調(diào)節(jié)器輸出的交、直軸的電壓幅值ud、uq會(huì)大于Usmax，此時(shí)Partn自動(dòng)激活，電壓外環(huán)Pl輸出的id作為d軸的去磁電流分量，這個(gè)去磁電流分量和Part I輸出id*疊加起來(lái)，作為d軸電流指令。Part III用來(lái)調(diào)節(jié)永磁同步電機(jī)的交軸電流的大小。本文的弱磁控制模塊如圖5所示：圖5 弱磁控制模塊4.3 仿真結(jié)果本文基于Matlab/Simulink建立如圖6所示的PMSM弱磁控制系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了PMSM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真。圖6 PMSM弱磁控制系統(tǒng)仿真模型P

32、MSM電機(jī)仿真參數(shù)設(shè)置：相繞組電阻R為0.8，電樞電感為835mH，轉(zhuǎn)子磁鏈為0.1852 V.s，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.0001 kg.m2，粘滯阻尼為0.0008 N.m.s，極對(duì)數(shù)p為2。如圖7、8，通過(guò)仿真試驗(yàn)表明系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速且平穩(wěn)，三相電流波形較為理想，轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。圖7 三相電流波形圖8 轉(zhuǎn)速、d軸電流、位置角、q軸電流、a相電流、轉(zhuǎn)矩波形5 永磁同步電機(jī)在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用5.1 交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀伺服系統(tǒng)是指以被驅(qū)動(dòng)機(jī)械物體的位置、方位、姿態(tài)為被控量，使之能隨指令值的任意變化進(jìn)行追蹤的控制系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，伺服的基本特征就是。服從。和。追蹤。因此，伺服控制

33、系統(tǒng)可以認(rèn)為是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，既可以是轉(zhuǎn)速的隨動(dòng)系統(tǒng)，也可以是位置的隨動(dòng)系統(tǒng)。本研究中主要針對(duì)位置隨動(dòng)進(jìn)行研究。伺服系統(tǒng)要求忠實(shí)跟蹤給定信號(hào)，即按照控制器的控制命令動(dòng)作，并產(chǎn)生足夠的力或力矩，使被驅(qū)動(dòng)的機(jī)械得到期望的運(yùn)動(dòng)速度和位置。伺服電機(jī)至今已有五十多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了三個(gè)主要階段：第一階段(20世紀(jì)60年代以前)，此階段是以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓伺服馬達(dá)或以功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)為中心的時(shí)代，伺服系統(tǒng)的位置控制為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。第二階段(20世紀(jì)6070年代)，這一階段是直流伺服電動(dòng)機(jī)的誕生和全盛發(fā)展的時(shí)代，由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，很多高性能驅(qū)動(dòng)裝置采用了直流動(dòng)機(jī)，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開(kāi)環(huán)系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。第三階段(20世紀(jì)80年代至今)，這一階段是以機(jī)電一體化時(shí)代作為背景的，由于伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其永磁材料、控制技術(shù)的突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)(方波驅(qū)動(dòng))、交流伺服電動(dòng)機(jī)(正弦波驅(qū)動(dòng))等新型電動(dòng)機(jī)。80年代以后，變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，使同步電機(jī)自身在