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?yàn)榫哂辛己玫男阅?，被?yīng)用于醫(yī)療器械，化工，工業(yè)機(jī)器人等多個(gè)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(dòng)態(tài)性能，特別是其中用到的坐標(biāo)變換的方法，實(shí)現(xiàn)模擬直流電機(jī)的控制方法來(lái)對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行控制，各個(gè)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(wú)論是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)都是非常常見(jiàn)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(guò)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(guó)古代就已經(jīng)產(chǎn)生并且被人類挖掘出來(lái)，距今已經(jīng)有一段漫長(zhǎng)的光年，現(xiàn)如今永磁材料的產(chǎn)量，性價(jià)比都在顯著提高；市場(chǎng)發(fā)生了巨大的改變；我國(guó)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(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行深度剖析。永磁電機(jī)分為無(wú)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(dòng)系統(tǒng)采用矢量控制驅(qū)動(dòng)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(lái)，不少偉大的科學(xué)家提出的相關(guān)理論對(duì)于矢量控制技術(shù)的研究起到了很大的幫助，例如：德國(guó)西門子等提出的“感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)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(lái)。像是在電動(dòng)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(shí)，經(jīng)常會(huì)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(jiǎn)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(guò)程

1.不同電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)

在交流電動(dòng)機(jī)中，主要分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。依照轉(zhuǎn)差功率的不同，異步電動(dòng)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(jiàn)，轉(zhuǎn)差功率消耗型消耗很大，而效率卻不高，高投資低回報(bào)的典型。它主要采取的方式是通過(guò)調(diào)節(jié)輸出功率來(lái)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(jí)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(jí)兩種調(diào)速同時(shí)作用，這種類型中轉(zhuǎn)差功率基本保持不變，整個(gè)系統(tǒng)的有效功率會(huì)隨著輸出功率發(fā)生變化，運(yùn)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(yùn)行時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)差。要進(jìn)行調(diào)速就必須通過(guò)改變主磁場(chǎng)的運(yùn)行速度。永磁電機(jī)與傳統(tǒng)的同步電機(jī)沒(méi)有太大的區(qū)別。那么如何改變主磁場(chǎng)的運(yùn)行速度呢？

首先我們來(lái)看定子電壓和定子頻率之間的關(guān)系。頻率在較低的值時(shí)，定子電壓會(huì)隨著定子頻率的增加而增加，同時(shí)是按照某種線性關(guān)系變化的。換句話說(shuō)，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(diǎn)時(shí)，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(diǎn)開(kāi)始，定子頻率無(wú)論怎么增加，定子電壓都不會(huì)發(fā)生變化，一直保持在某一個(gè)數(shù)值。這個(gè)時(shí)候，定子電壓恒定，定子頻率繼續(xù)增加，磁場(chǎng)就會(huì)逐漸減小，永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高。這種通過(guò)增加定子頻率減小主磁場(chǎng)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(duì)定子電流的控制。在定子側(cè)的物理量，像是電壓，電動(dòng)勢(shì)，電流等都是交流量，都會(huì)隨著時(shí)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(shí)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?，從而使得更好的控制和調(diào)節(jié)。矢量控制的特點(diǎn)是分別控制永磁電機(jī)中勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，采用信號(hào)采集的原理檢測(cè)定子電流，把定子電流分成勵(lì)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(shí)施依然是落實(shí)到對(duì)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(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)相關(guān)的規(guī)律，將電流矢量分解到磁場(chǎng)定向坐標(biāo)中，形成兩個(gè)電流分量，一個(gè)是產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量，另一個(gè)是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量。分解這兩個(gè)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(gè)電流分量在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)中相互垂直，互不干擾，分別對(duì)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(jiǎn)化，也可獲得很好的動(dòng)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(duì)于三相電機(jī)而言，通入定子的三相電流在abc坐標(biāo)下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)合成磁勢(shì)，如果我們把它分解到α-β坐標(biāo)系下，即有一個(gè)脈動(dòng)磁勢(shì)，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(shì)和功率不變的原則通過(guò)正交變換，體現(xiàn)了等效思想。這個(gè)過(guò)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(lái)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(gè)電流量正好是常數(shù)了。通過(guò)控制器對(duì)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(shuō)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(lái)，大大的方便了控制和計(jì)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(shí)質(zhì)就是通過(guò)對(duì)定子電流的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)永磁電動(dòng)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(chǎng)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(chǎng)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(guó)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(diǎn)。磁場(chǎng)定向控制策略的脈寬調(diào)制常見(jiàn)是以正弦脈寬調(diào)制。永磁電機(jī)具有正弦型的反電動(dòng)勢(shì)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(jiàn)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(chǎng)。電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組相當(dāng)于一個(gè)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(diǎn)是三個(gè)定子電壓在空間中的時(shí)間相位各自相差120°，且它們的大小隨著時(shí)間按正弦規(guī)律做變化?，F(xiàn)在我們將三相定子電壓疊加合成一個(gè)空間矢量。此時(shí)的這個(gè)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(chǎng)就會(huì)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(jì).北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1997；

[2]張劍.無(wú)位置傳感器永磁交流伺服系統(tǒng)控制策略的研究與實(shí)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）