永磁同步電機(jī)的控制方式

來(lái)源：小牛機(jī)器人

早期對(duì)永磁同步電機(jī)的研究主要是對(duì)固定頻率供電的永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接啟動(dòng)性能的研究。永磁同步電機(jī)的直接啟動(dòng)是依靠阻尼繞組提供的異步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)加速到接近同步轉(zhuǎn)速，然后由磁阻轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)牽入同步來(lái)實(shí)現(xiàn)的。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在這方面做了大量的研究工作。

20世紀(jì)80年代，國(guó)外開(kāi)始對(duì)逆變器供電的永磁同步電機(jī)進(jìn)行深入研究。逆變器供電的永磁同步電機(jī)與直接啟動(dòng)的永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，但在大多數(shù)情況下無(wú)阻尼繞組。

阻尼繞組有以下缺點(diǎn)：第一，阻尼繞組產(chǎn)生熱量，使永磁材料溫度上升；第二，阻尼繞組增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使電機(jī)力矩慣量比下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機(jī)脈動(dòng)力矩增大。在逆變器供電情況下，永磁同步電機(jī)的原有特性將會(huì)受到影響，其穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性與恒定頻率下的永磁同步電機(jī)相比有不同的特點(diǎn)。

1980年后科研人員發(fā)表了大量研究永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性的論文。A.V.Gumaste等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)特性及電流型逆變器供電的永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)特性。

隨著人們對(duì)永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能要求的不斷提高，需要設(shè)計(jì)出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機(jī)。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的全數(shù)字控制也取得了很大的進(jìn)展。

D.Naunin等研制了一種永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，采用了16位單片機(jī)8097作為控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的全數(shù)字控制。20世紀(jì)80年代末至90年代初，B.K.Bose等發(fā)表了大量關(guān)于永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)全數(shù)字控制的論文。

永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制器大多采用比例積分（PI）控制。PI控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好、對(duì)被控制對(duì)象參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。

1991年，R.B.Sepe首次在轉(zhuǎn)速控制器中采用自校正控制。早期自適應(yīng)控制主要應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。我國(guó)臺(tái)灣大學(xué)劉天華等首次將魯棒控制理論應(yīng)用于永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，模型和參數(shù)是不斷變化的，參數(shù)和模型的變化將引起控制系統(tǒng)性能的降低。現(xiàn)代控制理論中的各種魯棒控制技術(shù)能夠使控制系統(tǒng)在模型和參數(shù)變化時(shí)保持良好的控制性能。因此，將各種魯棒控制技術(shù)運(yùn)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，可以大大提高調(diào)速系統(tǒng)的性能。在這方面運(yùn)用得較為成功的控制技術(shù)主要有自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識(shí)技術(shù)等。

永磁同步電機(jī)的控制

（1）開(kāi)環(huán)控制方式

由于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)嚴(yán)格根據(jù)電源頻率變化，因此可以通過(guò)變頻器的V/F開(kāi)環(huán)控制方式來(lái)控制同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在多臺(tái)電機(jī)要求嚴(yán)格同步的場(chǎng)合，可以用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)永磁同步電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)軸之間的同步，有人稱這種控制方式為外同步方式。由于是開(kāi)環(huán)控制，同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力相對(duì)比較弱。

（2）閉環(huán)矢量控制方式

對(duì)于永磁同步電機(jī)的控制，目前市場(chǎng)上應(yīng)用最多的是帶有編碼器反饋的閉環(huán)控制，控制思想采用了空間矢量分解的方式，將電機(jī)的實(shí)際電流按扭矩電流與勵(lì)磁電流兩個(gè)方向進(jìn)行分解。同步電機(jī)閉環(huán)控制的難點(diǎn)是首先必須知道永磁轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置，然后控制定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，保證其與轉(zhuǎn)子實(shí)際位置呈90°的空間夾角，以產(chǎn)生最大的電機(jī)扭矩。

通常情況下，轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置通過(guò)編碼器回饋給驅(qū)動(dòng)器，如采用增量式編碼器，除了A、B、Z相的脈沖信號(hào)反饋轉(zhuǎn)子的實(shí)際速度外，還有U、V、W信號(hào)，U、V、W信號(hào)與電機(jī)三相反電動(dòng)勢(shì)同頻率、同相位，根據(jù)它們的不同狀態(tài)，可將360°電角度平面分成6個(gè)部分，用以確定電機(jī)的初始轉(zhuǎn)子位置角。

增量式正/余弦編碼器除了速度信號(hào)，還提供了C、D通道，用來(lái)顯示電機(jī)的初始轉(zhuǎn)子位置。如果缺少了轉(zhuǎn)子的位置信息，則驅(qū)動(dòng)器不能建立正確的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行失敗或者是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。當(dāng)然，很多高性能的驅(qū)動(dòng)器還可以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置進(jìn)行識(shí)別。例如計(jì)算定子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置來(lái)估計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置、計(jì)算定子相電感來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置等。西門(mén)子Sinamics S120伺服驅(qū)動(dòng)器給用戶提供了以下幾種轉(zhuǎn)子位置的識(shí)別方式。

①基于運(yùn)動(dòng)模式。

②基于一階飽和模式。

③基于二階飽和模式。

④基于直流注入的模式，如下圖所示。

基于直流注入模式的磁極位置識(shí)別

（3）無(wú)傳感器的矢量模式方式

安裝傳感器會(huì)給電機(jī)帶來(lái)一定的麻煩與弊端，具體如下。

①機(jī)械傳感器增加了電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，加大了電機(jī)空間尺寸和體積。

②機(jī)械傳感器的使用增加了電機(jī)與控制系統(tǒng)之間的連接線和接口電路，使系統(tǒng)易受干擾，降低了可靠性。

③受機(jī)械傳感器使用條件如溫度、濕度和震動(dòng)的限制，調(diào)速系統(tǒng)不能廣泛適應(yīng)各種場(chǎng)合。

④機(jī)械傳感器及其輔助電路增加了調(diào)速系統(tǒng)的成本，某些高精度傳感器的價(jià)格甚至可與電機(jī)本身價(jià)格相比。

為了克服使用機(jī)械傳感器給調(diào)速系統(tǒng)帶來(lái)的缺陷，許多學(xué)者開(kāi)展了無(wú)機(jī)械傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)的研究。無(wú)機(jī)械傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)是指利用電機(jī)繞組中的有關(guān)電信號(hào)，通過(guò)適當(dāng)方法估計(jì)出轉(zhuǎn)子的位置和速度，取代機(jī)械傳感器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。

永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)的關(guān)鍵，在于如何根據(jù)測(cè)量的電機(jī)電流和電壓信號(hào)估計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。對(duì)于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以采用一些直觀的方法，即利用其特殊的電磁特性，來(lái)構(gòu)造速度和轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)方法。同時(shí)，現(xiàn)代控制、辨識(shí)技術(shù)的發(fā)展，為我們提供了許多可行的觀測(cè)器構(gòu)造方法來(lái)估計(jì)控制過(guò)程中的狀態(tài)變量或參數(shù)。

在電機(jī)的無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)中，主要采用的觀測(cè)器有全階狀態(tài)觀測(cè)器、自適應(yīng)觀測(cè)器、變結(jié)構(gòu)觀測(cè)器、卡爾曼濾波器等。采用這些方法構(gòu)造的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度觀測(cè)器具有動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)定性強(qiáng)、參數(shù)敏感性小等特點(diǎn)。隨著高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）技術(shù)的發(fā)展，各種具有優(yōu)良性能的速度觀測(cè)器在無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中得到廣泛運(yùn)用。

實(shí)踐證明，無(wú)論是識(shí)別電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置，還是評(píng)估轉(zhuǎn)子速度，目前的技術(shù)手段都還沒(méi)有辦法保證精準(zhǔn)控制的需求，特別是在低頻運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)傳感器矢量控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大。

審核編輯：湯梓紅

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