永磁同步電機(jī)控制策略綜述

孫何敏

[摘? ? 要]當(dāng)前，隨著新材料技術(shù)的飛躍式發(fā)展，稀土永磁材料的應(yīng)用也逐步走向各個(gè)行業(yè)。磁性復(fù)合材料便是一種重要的新型磁材料，我國高能量密度永磁材料的儲(chǔ)量位于世界前列，例如釹、鐵、硼這類永磁材料，在我國有著非?？捎^的開采前景，這也使得永磁電機(jī)在工業(yè)活動(dòng)中經(jīng)常被用到。永磁同步電機(jī)也叫做Permanent Magnetic Synchronous Machine，簡(jiǎn)稱PMSM，這種電機(jī)是近些年新出現(xiàn)的一種電機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯，主要體現(xiàn)在其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小方面，在工作中效率較高，且由于功率密度大，因此可靠性也能得到有效的保障。這也使得其廣泛應(yīng)用在控制系統(tǒng)中，例如在控制系統(tǒng)的電機(jī)匹配上，很多數(shù)控機(jī)床的電機(jī)都用永磁同步電動(dòng)機(jī)代替直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)。永磁同步電機(jī)的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于沒有激磁繞組，這樣就減少了電機(jī)所占用系統(tǒng)的空間，增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)感，避免過熱，因此節(jié)能優(yōu)勢(shì)非常明顯。首先分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的種類及結(jié)構(gòu)，然后從永磁同步電動(dòng)機(jī)的特征入手，研究了永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制策略，為更好地應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)提供理論基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]永磁同步電機(jī);種類;控制策略

[中圖分類號(hào)]TM351 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）11–00–03

[Abstract]At present， with the rapid development of new material technology， the application of rare earth permanent magnetic materials has gradually moved to various industries. Magnetic composite materials are an important new type of magnetic material. The reserves of high energy density permanent magnetic materials in my country are located in the world In the forefront， permanent magnet materials such as neodymium， iron， and boron have very considerable prospects for exploitation in my country， which also makes permanent magnet motors often used in industrial activities. Permanent magnet synchronous motor is also called Permanent Magnetic Synchronous Machine， or PMSM for short. This kind of motor is a new type of motor that has appeared in recent years. It has obvious advantages in practical applications. Its advantages are mainly reflected in the small moment of inertia of its rotor. The efficiency is high， and because of the high power density， reliability can also be effectively guaranteed. This also makes it widely used in control systems， such as in the motor matching of the control system. Due to the performance advantages of such motors， many CNC machine tools use permanent magnet synchronous motors instead of DC motors and induction motors. Another important advantage of the permanent magnet synchronous motor is that there is no excitation winding， which reduces the space of the system occupied by the motor， increases the design sense of the system， and avoids overheating， so the energy saving advantage is very obvious. First， analyze the types and structures of permanent magnet synchronous motors， and then start with the characteristics of permanent magnet synchronous motors， study the control strategies of permanent magnet synchronous motors， and provide a theoretical basis for better application of permanent magnet synchronous motors.

[Keywords]permanent magnet synchronous motor; type; control strategy

永磁同步電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于電機(jī)的控制方式方法也提出了新的需求。電機(jī)控制方式方法的優(yōu)化是提升智能技術(shù)水平的關(guān)鍵，因此永磁同步電機(jī)的應(yīng)用前景是十分廣泛的，永磁同步電機(jī)的控制方法是多樣的，無論是頻比控制，還是頻率控制和矢量控制，其最終目的是既能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制很多時(shí)候是同步的，這對(duì)于電機(jī)控制方法的要求是非常高的。當(dāng)前，永磁同步電機(jī)在各類控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，同步電機(jī)比起其它電機(jī)來說，是可以達(dá)到對(duì)磁場(chǎng)定向控制效果的，而且轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)也十分突出，因此在實(shí)際應(yīng)用中能夠兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的生產(chǎn)需求。

1 永磁同步電機(jī)的種類及結(jié)構(gòu)

1.1 種類

永磁同步電機(jī)的種類通常是根據(jù)其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)定義的，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的差異決定了永磁同步電機(jī)的種類，當(dāng)前主要的永磁同步電機(jī)種類有凸裝、嵌入以及內(nèi)埋三個(gè)種類。

1.2 結(jié)構(gòu)

上述三種基本類型是根據(jù)其結(jié)構(gòu)決定的。凸裝式被稱為外裝式的結(jié)構(gòu)，凸裝式結(jié)構(gòu)中，其直軸磁阻和交軸磁阻是完全一致的，這也決定了凸裝式結(jié)構(gòu)下交軸電感和直軸電感的一致性，用公式表達(dá)為Ld=Lq，在性質(zhì)上體現(xiàn)為隱極電機(jī);嵌裝式和內(nèi)埋式這兩種結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為內(nèi)裝式結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)的直軸磁阻與交軸磁阻是不等的，通常直軸大于交軸的磁阻，公式表達(dá)為Ld

2 永磁同步電機(jī)特征

永磁同步電機(jī)和以往的異步電機(jī)相比具有多個(gè)方面的特征。首先，永磁同步電機(jī)具有高功率的特征，高功率是由其因數(shù)決定的。一般生產(chǎn)商會(huì)使用永磁體來替換傳統(tǒng)的電勵(lì)磁，使用永磁同步電機(jī)便可以減少無功勵(lì)磁電流，這樣就明顯提升了因數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，永磁同步電機(jī)的定、轉(zhuǎn)在轉(zhuǎn)動(dòng)同步的時(shí)候，轉(zhuǎn)心是沒有鐵耗的，因此效率比其它同類電機(jī)的效率是要高的，比不同種類的電機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。這類電機(jī)在25%～120%的額定負(fù)載都可以達(dá)到較高的功率因數(shù)，輕載轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，節(jié)能的效果更好，因此這類方法下永磁同步電機(jī)可以節(jié)省電能消耗。其次，響應(yīng)效率高，尤其是動(dòng)態(tài)響應(yīng)非常迅速。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性能良好。因此相比異步電機(jī)而言、其慣性較小，在電機(jī)轉(zhuǎn)矩中可以快速地響應(yīng)，根本在于其轉(zhuǎn)矩的慣性比較高。永磁同步電機(jī)的體積較小，因此在重量上也有著明顯優(yōu)勢(shì)，輕重量的電機(jī)產(chǎn)品更能夠得到市場(chǎng)的重視，而當(dāng)前隨著高性能永磁材料的推廣，永磁同步電機(jī)的功率密度也有了很大的提升，同容量下，異步電機(jī)的體積和重量更大。這就為永磁同步電機(jī)的廣泛應(yīng)用打下來良好的基礎(chǔ)，由于其體積小、重量輕、穩(wěn)定性良好的優(yōu)勢(shì)決定了永磁同步機(jī)在各個(gè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用中各行業(yè)通常注重電機(jī)的穩(wěn)定性，直流電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修成本高，因此永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本優(yōu)勢(shì)奠定了其應(yīng)用的市場(chǎng)前景。

3 永磁同步電機(jī)控制策略研究

永磁同步電機(jī)控制的直接原理是頻率控制，也就是通過變頻調(diào)速來控制永磁同步電機(jī)。當(dāng)前普遍應(yīng)用的變頻調(diào)速控制方法包括轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比（v/f）、轉(zhuǎn)差頻率、矢量和直接轉(zhuǎn)矩等不同控制策略。

3.1 頻比控制

頻比控制通常也被稱之為轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制，在永磁同步電機(jī)等各類控制方法中，轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制方法的應(yīng)用是最為普遍的。其控制的基本原理是變頻調(diào)速控制。轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制是針對(duì)v/f進(jìn)行恒定控制，這樣磁通就能被固定下來，然后再通過轉(zhuǎn)差頻率的控制來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的操作。轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制法的劣勢(shì)在于其載性差，因此壓降定子是必需的，只有經(jīng)過定子壓降才能提升載力，頻比控制是對(duì)氣隙磁通進(jìn)行控制，因此是不具備轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的，這也造成其控制方面的局限性。轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制法操作較為簡(jiǎn)易、穩(wěn)定性好，調(diào)速操作簡(jiǎn)單，因此在靜態(tài)控制場(chǎng)景比較適用，比如水泵的控制就會(huì)優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制法。

3.2 頻率控制

頻率控制在應(yīng)用中由于其控制原理也被叫做轉(zhuǎn)差頻率控制，這種控制方法應(yīng)用了轉(zhuǎn)差信號(hào)原理，在使用中，其輸入轉(zhuǎn)差信號(hào)和實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)疊加后形成的就是頻率信號(hào)[1]。因此在電機(jī)轉(zhuǎn)速減低或者增加時(shí)，實(shí)際頻率也會(huì)降低或者增加，上升、下降的同比是這個(gè)控制策略的基本原理。轉(zhuǎn)差頻率控制雖然能夠簡(jiǎn)單地控制轉(zhuǎn)矩，但其應(yīng)用原理依舊依賴模型的穩(wěn)定性，因此不適用轉(zhuǎn)矩控制，常在靜態(tài)控制中使用這種策略。

3.3 矢量控制

矢量控制是永磁同步電機(jī)的重要控制方法。這種控制方法是根據(jù)矢量控制理論演變的，矢量控制理論由西方科學(xué)家首先提出，并經(jīng)過了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，成為電機(jī)控制理論中的核心內(nèi)容。在矢量控制理論中，電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈在旋轉(zhuǎn)空間下的矢量分布，成為磁控的前提，確定這個(gè)前提的情況下，定子電流會(huì)定向分解，實(shí)現(xiàn)了定子的正交，此時(shí)產(chǎn)生的磁鏈同向定子電流勵(lì)磁、磁鏈方向正交定子電流轉(zhuǎn)矩，二者是能量的分解，通過對(duì)同向定子電流勵(lì)磁和定子電流轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)控制[2]。矢量控制的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，市場(chǎng)上控制軟件也比較多，因此廣泛應(yīng)用于電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。坐標(biāo)變換是矢量控制的基本方法，這個(gè)過程是相對(duì)復(fù)雜的，操作人員需要對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行觀測(cè)，且這種方法對(duì)電機(jī)的參數(shù)要求很高，實(shí)際操作中很難完全的解耦，因此控制效果不明顯。選擇用矢量控制法進(jìn)行永磁同步電機(jī)控制的時(shí)候，首先要認(rèn)識(shí)到質(zhì)量控制法最大的優(yōu)勢(shì)在于調(diào)速效果好、可調(diào)速的范圍非常廣，比轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制法和轉(zhuǎn)差頻率控制法下的動(dòng)態(tài)性能更為良好。其次是認(rèn)識(shí)到矢量控制的缺點(diǎn)，即轉(zhuǎn)子磁鏈的定向電機(jī)參數(shù)的變化有著直接的關(guān)系。受到電機(jī)參數(shù)變化影響下會(huì)產(chǎn)生失真問題，這樣就會(huì)直接降低電機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)速能力，針對(duì)這個(gè)問題，最好的解決方案是采用智能化的控制器。智能化PI調(diào)節(jié)器是一種普遍應(yīng)用的產(chǎn)品，很多永磁同步電機(jī)的電流環(huán)、速度環(huán)都會(huì)選擇使用PI控制，在使用PI控制的前期，會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制的仿真測(cè)試。通常來說，PI控制器的參數(shù)會(huì)直接影響控制系統(tǒng)的性能，永磁同步電機(jī)的強(qiáng)耦合性很難用精確的模型來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，PI控制器作為一種典型的線性控制器，魯棒性較差，因此在控制系統(tǒng)中如果直接使用一般的PI控制器很難達(dá)到控制目的，對(duì)于系統(tǒng)性能和控制精度需求高的場(chǎng)景，需要針對(duì)PI控制器的算法進(jìn)行變化，以達(dá)到更加優(yōu)良的控制性能。通常使用分段PI速度調(diào)節(jié)法能有效地增強(qiáng)PI控制器的適應(yīng)性，這個(gè)過程中要對(duì)誤差量的大小進(jìn)行分段，確定好參數(shù)Kp和Ki。在前期，加大調(diào)節(jié)的參數(shù)，誤差減小的情況下，可以適當(dāng)?shù)脑黾臃e分系數(shù)，這樣控制器就能更好的針對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速及控制。

4 結(jié)語

本文所提到的三種方法，都有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，如何減少控制方法的劣勢(shì)，增加控制方法的優(yōu)勢(shì)，是擺在產(chǎn)品設(shè)計(jì)者面前的重要難題，本文重點(diǎn)介紹了矢量控制中對(duì)于PI控制器的應(yīng)用，雖然PI控制器這類線性控制器與永磁同步電機(jī)的強(qiáng)耦合性沖突，但可以通過改進(jìn)PI控制軟件的算法實(shí)現(xiàn)二者的兼容，為更好的實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的控制提供有效策略。

參考文獻(xiàn)

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