吉林大学学报工学版
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浅析永磁同步电机控制策略

  【摘要】近年来,永磁同步电机凭借其体积小、损耗低、效率高等优点,被广泛应用于各种生产实践中。与此同时,对永磁同步电机的控制研究也得到了广泛的重视。本文就永磁同步电机的控制策略做出简单阐述,对比其优缺点,分析永磁同步电机控制侧率的发展方向。


  【关键词】永磁同步电机;恒压频比开环控制;矢量控制;直接转矩控制1.引言近年来,随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展,永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小,损耗低,效率高等优点,在节约能源和环境保护日益受到重视的今天,对其研究就显得非常必要。因此。这里对永磁同步电机的控制策略进行综述,并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向。


  2.永磁同步电机的数学模型永磁同步电机(PMSM)的永磁体和绕组,绕组和绕组之间的相互影响,电磁之间的关系十分复杂,由于磁路饱和等非线性因素,建立精确的数学模型是很困难的。为了简化PMSM的数学模型,我们通常作如下的假设:


  (1)磁路不饱和,电机电感不受电流变化影响,不计涡流和磁滞损耗;(2)忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响;(3)三相绕组对称,永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布;(4)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布;(5)驱动二极管和续流二极管为理想元件;(6)转子磁链在气隙中呈正弦分布。


  对于永磁同步电机来说,即用固定转子的参考坐标来描述和分析其稳态和动态性能是十分方便的。此时,取永磁体基波励磁磁场轴线即永磁体磁极的轴线为d轴,而q轴逆时针方向朝前90o电角度。d轴与参考轴A之间夹角为。图1为永磁同步电机(PMSM)矢量图。


  图1 PMSM空间向量图Fig.1 Space vector diagram of PMSM根据图1所示向量图进行坐标变换,满足功率不变原则,得到在旋转坐标系下PMSM的数学模型方程如下(1)电压方程由三相静止轴系ABC到同步旋转轴系dq的变换得:


  (1),Rs为定子相电阻,其中:


  。


  (2)磁链方程(2)式中为转子(永磁体)在dq轴的磁链,ud、uq,id、iq和、分别为dq轴的电流、电压和磁链。、为dq轴的电感。


  (3)转矩方程电磁转矩的表达式为:


  (3)pn为极对数,定子磁链空间矢量,is为定子电流空间矢量。


  3.恒压频比开环控制(VVVF)恒压频比开环控制(VVVF)是为了得到理想的永磁同步电机转矩-速度特性,基于在改变电源频率进行调速的同时,又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的。 按照这种控制策略进行控制,使供电电压的基波幅值随着速度指令成比例的线性增长,从而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略简单,易于实现,转速通过电源频率进行控制。但同时,由于系统中不引入速度、位置等反馈信号,因此无法实时捕捉电机状态,致使无法精确控制电磁转矩:在突加负载或者速度指令时,容易发生失步现象;也没有快速的动态响应特性。因此,恒压频比开环控制电机磁通而没有控制电机的转矩,控制性能差。通常只用于对调速性能要求一般的通用变频器上。


  4.矢量控制(VC)七十年代中期,德国学者提出“交流电机磁场定向的控制原理”,即用矢量变换的方法研究交流电机的动态控制规律。矢量控制理论采用矢量分析的方法来分析交流电机内部的电磁过程,是建立在交流电机的动态数学模型基础上的控制方法。它模仿对直流电机的控制技术,将交流电机的定子电流解祸成互相独立的产生磁链的分量和产生转矩的分量。分别控制这两个分量就可以实现对交流电机的磁链控制和转矩控制的完全解祸,从而达到理想的动态性能。使交流传动的动、静态特性有了显著的改善,开创了交流传动的新纪元。矢量控制是目前高性能交流电机调速系统所采用的主要控制方法,具有很好的动态性能。然而这种控制技术本身还是存在一些缺陷的,受电机参数影响较大,由于电机参数在不同运行情况与环境的多变性,所以系统鲁棒性不强;矢量控制的根本是实现类似直流电机的控制,因此需要进行复杂的解耦运算,增加了信号处理工作负荷,要求更高的硬件处理器配合;5.直接转矩控制(DTC)1985年德国学者M.DepenBrock教授首次提出了磁链采用六边形控制方案的直接转矩控制理论。该方法只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型,强调对电机的转矩进行直接控制,省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。其磁场定向所用的是定子磁链,只要知道定子电阻就可以把它观测出来。因此,DTC大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题,很大程度上克服了矢量控制的缺点。


  转差角频率越大,转矩越大。转差角频率增加,转矩也增加。说明异步电机的转矩和转矩增长率都可以通过控制定子磁场对转子的角频率来控制。也就是说,异步电机DTC是建立在电机转差角频率控制的理论基础上的。而同步电机并不存在这种转差角频率,正是由于这个原因,DTC策略在同步电机上没有能够快速地得到应用。直到1996年英国的French.C和Acarnley .P发表了关于PMSM的DTC的论文,1997年由澳大利亚的Zhong L, Rahman.M.T教授和南航的胡育文教授等合作提出了基于PMSM的DTC方案,初步解决了DTC控制策略在PMSM上应用的理论基础。有了这个理论基础,PMSM的DTC控制也成了众多学者研究的一个热点。


  就目前而言,永磁同步电机控制的直接转矩控制摒弃了矢量控制解耦的思想,将转子磁通定向更换为定子磁通定向,通过控制定子磁链的幅值以及磁通角,达到控制转矩的目的,具有控制手段直接、结构简单高效、控制性能优良、动态响应迅速的特点。直接转矩控制在克服了矢量控制弊端的同时,这种粗犷式控制方式也暴露出固有的缺陷。首先控制器采用Bang-Bang控制,实际转矩必然在上下限内脉动;再者调速范围受限。在低速时,转矩脉动会增加,而且定子磁链观测值会不准。另外,电机参数的时变对直接转矩控制也有影响。


  6.结论本文所阐述的永磁同步电机的控制方式是最基本的三种控制方式。通过文中的阐述,可以看出每种控制方式都有其利弊,可以根据设备的应用环境工况来选择设备的控制方法。


  同时随着控制理论的不断发展,学者们采用智能控制策略,如最优控制、遗传算法、模糊控制等方法,用来克服每种控制方式的弊端,使得永磁同步电机的应该更加广泛,充分发挥其体积小,损耗低,效率高等优点。


  参考文献[1]王成元,周美文,郭庆鼎。矢量控制交流伺服驱动电动机[M].北京:机械工业出版社,1994.


  [2]李华德,杨立永,李世平。直接转矩控制技术的新发展[J].工业大学,2001.


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