西林叉車之——永磁同步電機的驅(qū)動控制技術(shù)（
作者：西林叉車 時間：【 2019-12-15】 文章來源：
? ? 西林叉車之——永磁同步電機的驅(qū)動控制技術(shù)（3）
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4、永磁同步電機控制 技術(shù) 在永磁同步電機開始廣泛應(yīng) 用時，電力電子器件、數(shù)字信號處 理元件等都己經(jīng)有相當?shù)陌l(fā)展，不 斷有新的產(chǎn)品面試，再加上交流調(diào) 速技術(shù)在尤其是異步電機上的廣 泛應(yīng)用，這些都給了永磁同步電機 調(diào)速研究一個很好的發(fā)展基礎(chǔ)。常 見的永磁同步電機的調(diào)速技術(shù)有 恒壓頻比控制、基于磁場定向的矢 量 控 制 以 及 直 接 轉(zhuǎn) 矩控制等。在高性能 轉(zhuǎn) 速 和 位 置 控 制 領(lǐng) 域，矢量控制應(yīng)用最 廣泛，電動汽車的應(yīng) 用也包括在內(nèi)。（1）恒壓頻比控制 給電機施加上一個三相對稱 的交流電，此時電機的運行速度與 電源的頻率成正比，因此可以通過 調(diào)節(jié)電源頻率來改變電機轉(zhuǎn)速，即 恒壓頻比控制（VVVF）。由電機學(xué) 原理可以知道，電源電壓與頻率的 之比正比于電機磁通，因此保持該 比值恒定，電機就能保持比較穩(wěn)定 的運行。 VVVF 控制不需要速度、位置、 電壓或電流等反饋信號，控制方法 簡單，控制成本低。它是一種開環(huán) 的控制方法，由于其只簡單控制了 電壓的幅值和頻率，電機的工作電 流不受控，無法實現(xiàn)精確控制電磁 轉(zhuǎn)矩的目的，因而系統(tǒng)的動態(tài)性能 差且轉(zhuǎn)速控制不夠精確，只適用于 那些對調(diào)速性能要求不高的場合， 如壓縮機、風機、水泵等等。 （2）矢量控制 1971 年，德國西門子公司的 F. Blaschke 等人提出了磁場定向控制 即矢量控制的策略，標志著交流調(diào) 速理論取得了突破性的進展。矢量 控制最早應(yīng)用在異步電機的變頻 控制中，其基本思想源于對直流電 機控制系統(tǒng)的模擬。考慮到異步電 機是一個多變量、強耦合、非線性 的時變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外 加信號準確控制電磁轉(zhuǎn)矩，如果以 磁場矢量的方向為參考建立以旋 轉(zhuǎn)坐標系，在此坐標系下去研究電 機的各電氣量的特性可以發(fā)現(xiàn)，通 過矢量坐標變換的方法可以把定 子電流中的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量 區(qū)分開來，由此可以實現(xiàn)對電機磁 通與轉(zhuǎn)矩的解耦控制，這就使得交 流電機調(diào)速十分接近于直流電機 的控制方式，因而能夠獲得比較優(yōu) 異的控制性能。該控制系統(tǒng)從理論 上解決了非線性、強耦合的交流電 機高性能控制問題，使得交流伺服 系統(tǒng)日漸取代直流伺服系統(tǒng)成為 主流驅(qū)動系統(tǒng)。隨著永磁電機的廣 泛應(yīng)用，人們對永磁電機的矢量控 制進行了大量的研究工作。矢量控 制在永磁電機中比異步電機中更 容易實現(xiàn)，這是因為永磁電機沒有 轉(zhuǎn)差頻率電流，于是參數(shù)的敏感性 問題就不太嚴重。 對永磁同步電機的控制要求 可歸納為響應(yīng)快、精度高、脈動小 等等，控制的關(guān)鍵因素是實現(xiàn)電機 轉(zhuǎn)矩的實時高性能控制。矢量控制 對電機輸出轉(zhuǎn)矩的控制可以歸結(jié) 為對電機交、直軸電流的控制。理 論分析可以知道，對于某一特定的 負載轉(zhuǎn)矩，可以通過調(diào)整不同大小 的交、直軸電流組合來實現(xiàn)，這些 組合在電機的運行效率、功率因 數(shù)、穩(wěn)定運行域等各方面都各不相 同。常見的電流控制策略主要分以 下幾種：1）id=0 控制；2）轉(zhuǎn)矩電流 比最大控制；3）功率因數(shù)等于 1 的 控制；4）恒磁鏈控制。 1）id=0 控制 對于 隱 極式 永 磁同 步 電 機 ， id=0 時單位電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。 由于不需要勵磁電流，電機從端口 看相當于一臺他勵直流電動機。定 子三相電流的空間合成磁勢與永 磁體磁場空間矢量正交，所有電流 都用來產(chǎn)生電磁力矩。對于凸極永 磁同步電機來說，此時沒有可調(diào)節(jié) 的磁阻轉(zhuǎn)矩，對擴大電機高速弱磁 的穩(wěn)定運行范圍有一定的影響。 2） 轉(zhuǎn) 矩電流比 最 大 控 制 （MTPA） 對隱極式永磁同步電機而言 轉(zhuǎn)矩電流比最大控制等效于 id 等 于零的控制。但是對于凸極永磁同 步電機來說，由于交直軸電感的值 不同電機存在磁阻轉(zhuǎn)矩，為了追求 用最小的電流幅值得到最大的輸 出轉(zhuǎn)矩，可以推導(dǎo)得到 id 和 iq 隨 輸出轉(zhuǎn)矩值變化的函數(shù)曲線，以此 為參考來控制電機運行。由于其在 同樣大小輸出轉(zhuǎn)矩的情況下最小 化了定子電流，使得電機在定子繞 組上的銅耗有了進一步的降低，有 利于提高電機的運行效率。 3）功率因數(shù)等于 1 的控制 即控制交、直軸的電流保持電 機的功率因數(shù)恒定為 1。此時電機 定子電流較小，銅耗也較小，逆變 器的容量能夠得到充分利用。但是 與轉(zhuǎn)矩電流比最大控制相比該法 在同等電流條件下輸出轉(zhuǎn)矩較小， 電機能夠輸出的電磁轉(zhuǎn)矩最大值 也偏小。 4）恒磁鏈控制 恒磁鏈控制就是控制電機定 子電流，使電機定子磁鏈保持恒定 的值，此種方法在定子磁鏈受控的 同時能夠獲得比較高的功率因數(shù)， 能在一定程度上提高電機的最大 輸出轉(zhuǎn)矩，比起功率因數(shù)等于 1 的 控制方式其最大輸出轉(zhuǎn)矩要大，具 體的輸出能力視電機實際參數(shù)而 定。 對于大容量交流調(diào)速系統(tǒng)，比 較適合使用的是功率因數(shù)為 1 和 恒定磁鏈的控制方法，這兩種控制 方法都可以獲得比較高的功率因 數(shù)。而對于交流電機伺服系統(tǒng)來 說，裝置的過載能力及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性 能方面要求較高。整套裝置功率不 大時功率因數(shù)不是首要問題，此時 比較適合使用 id=0 及轉(zhuǎn)矩電流比 最大的電流控制方法。 （3）直接轉(zhuǎn)矩控制 理論上矢量控制能夠得到與 直流電機類似的調(diào)速性能，但是在 對異步電機調(diào)速系統(tǒng)的研究過程 中發(fā)現(xiàn)，矢量控制的實際性能受電 機參數(shù)影響比較大，導(dǎo)致磁鏈計算 的偏差和坐標定位不準等問題。于 是德國學(xué)者 Depenbrock 等人又提 出了直接轉(zhuǎn)矩控制的策略，它是一 種高性能的交流電機控制方法，直 接在定子坐標系下分析定子磁鏈 和電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況，根據(jù)逆變 器輸出的 6 個非零電壓矢量以及 2 個零電壓矢量的不同作用效果，采 用查表的方式取合適的電壓來控 制電機。直接轉(zhuǎn)矩控制使用離散的 Bang-Bang 控制的方法控制定子磁 鏈的旋轉(zhuǎn)，可以迅速的改變電機功 角，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制的快速響應(yīng)。與 矢量控制相比直接轉(zhuǎn)矩控制有著 更為直觀明確的物理概念。它無需 旋轉(zhuǎn)坐標變換，具有控制方式簡 單，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，對系統(tǒng)參數(shù) 攝動、外干擾、測量誤差及噪聲魯 棒性強，在交流調(diào)速領(lǐng)域有著廣泛 的應(yīng)用。 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制每個控 制周期逆變器開關(guān)狀態(tài)只更新一 次，與矢量控制相比具有較大的磁 鏈和轉(zhuǎn)矩波動。為了減小轉(zhuǎn)矩的脈 動國內(nèi)外學(xué)者進行了廣泛的研究， 提出了許多有效的方法。如有文獻 提出用矢量細分的方法，通過增加 矢量的個數(shù)來減小轉(zhuǎn)矩脈動。多電 平逆變器提供了更多可能的空間 電壓矢量供控制選擇，通過細化零 矢量的作用，一定程度上降低了磁 鏈和轉(zhuǎn)矩的波動，但是這需要更多 的功率開關(guān)器件以及更高的開關(guān) 頻率，增加系統(tǒng)的硬件成本。同時 矢量個數(shù)越多、矢量表越細分，直 接轉(zhuǎn)矩控制方法就越復(fù)雜。由于直 接轉(zhuǎn)矩控制是根據(jù)滯環(huán)比較結(jié)果 選擇電壓矢量，本質(zhì)上必然會引入 控制誤差，其他方法如離散空間矢 量調(diào)制方法也存在類似的問題。 有學(xué)者把空間矢量調(diào)制技術(shù) 和直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合應(yīng)用于永磁 同步電機控制中，提供了更多電壓 矢量選擇的可能性。從某種意義上 來說這類方法更接近于矢量控制 的原理，控制中增加了轉(zhuǎn)矩環(huán) PI 控 制器來調(diào)節(jié)定子磁鏈角度的變化， 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)受 PI 控制器參數(shù)影響較 大。如果控制參數(shù) 設(shè)置不恰當會造成 轉(zhuǎn)矩的動態(tài)超調(diào)問 題，損失了直接轉(zhuǎn) 矩控制快速響應(yīng)的 優(yōu)點。
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