梁賽　沈子龍

摘 要：永磁同步電機(jī)因?yàn)槠鋬?yōu)越的性能正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用， 并在高性能伺服系統(tǒng)中逐步取代直流電機(jī)和異步電機(jī)。伺服系統(tǒng)對(duì)電機(jī)控制性能有很高的要求， 本文對(duì)伺服系統(tǒng)中永磁同步電機(jī)控制的智能控制問(wèn)題進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：永磁同步；伺服電機(jī)；控制

引言

發(fā)展和提高永磁同步電機(jī)的制造水平， 開(kāi)發(fā)相應(yīng)的高性能控制器產(chǎn)品， 提高資源的利用率和附加產(chǎn)值應(yīng)該是我國(guó)未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向。

一、閉環(huán)調(diào)節(jié)器的控制

永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與異步電機(jī)相比，簡(jiǎn)單了不少，但仍具有非線性，強(qiáng)耦合，多變量等特點(diǎn)，尋求比普通PID 調(diào)節(jié)器更優(yōu)良的控制策略是提高交流伺服系統(tǒng)性能的有效途徑之一。

（1） 基于現(xiàn)代控制理論的控制策略

基于現(xiàn)代控制理論的電機(jī)控制方法有許多，典型的如滑模變結(jié)構(gòu)控制，自適應(yīng)控制等。其中，自適應(yīng)控制能夠抑制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)參數(shù)變化的影響，獲得有用的模型信息，使控制器的控制參數(shù)能夠得到自動(dòng)調(diào)整。但這些方法均存在兩個(gè)問(wèn)題，一是模型復(fù)雜，運(yùn)算繁瑣； 二是校正和辨識(shí)的時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性不佳。

此外，還有許多現(xiàn)代控制理論被用到轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì)中，包括自適應(yīng)逆推、反饋線性化、魯棒控制等。

（ 2） 基于智能思想的控制策略

典型的智能控制方法如模糊控制是模糊數(shù)學(xué)與控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物。現(xiàn)實(shí)中，有些被控對(duì)象是難以建立精確的數(shù)學(xué)模型的，這時(shí)，使用模糊控制的方法是一種非常不錯(cuò)的選擇。當(dāng)前，在永磁同步電機(jī)的控制方面的，模糊控制的應(yīng)用與研究已取得了許多成果，在電機(jī)的控制領(lǐng)域，仍有不少與模糊控制相結(jié)合的控制方法出現(xiàn)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制也是一種基于智能思想的控制策略，其并行處理，分布存儲(chǔ)，自組織，自學(xué)習(xí)及神經(jīng)計(jì)算能力，使其成為一種很有前途的控制方法，目前已有不少文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行研究。

二、電機(jī)自身的控制

交流伺服系統(tǒng)中對(duì)電機(jī)自身的控制方法主要有： 壓頻控制、磁場(chǎng)定向控制，解耦控制與直接轉(zhuǎn)矩控制。

（ 1） 壓頻控制

壓頻控制是一種開(kāi)環(huán)控制方法，不需要電機(jī)位置、速度等反饋信息，其控制方法簡(jiǎn)單，無(wú)復(fù)雜的控制算法，方便實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是無(wú)法獲取電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和工作狀態(tài)。因此只適用于一般的水泵和風(fēng)機(jī)等場(chǎng)合。

（ 2） 矢量控制

矢量控制是德國(guó)西門(mén)子公司的F.Blashcke 在七十年代提出的。該方法的主要思想是將三相磁鏈?zhǔn)噶?、電壓矢量、電流矢量，通過(guò)坐標(biāo)變換為兩相矢量。目前，矢量控制的方法在理論上與應(yīng)用上都十分成熟，具體包括： 最大轉(zhuǎn)矩與電流比控制、id控制、弱磁控制、最大輸出功率控制、cosφ = 1 控制、恒磁鏈控制等。

在所有的控制方法中，使id = 0 的控制方式最為簡(jiǎn)單，它能夠?qū)⑷嚯娏鬓D(zhuǎn)變?yōu)閮上郿q 電流，然后對(duì)dq 電流分別進(jìn)行控制，使得只存在q 軸電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)解耦。這里的q 軸電流就相當(dāng)于直流電機(jī)的控制回路的轉(zhuǎn)子電樞電流。這樣，對(duì)永磁同步電機(jī)的控制就相當(dāng)于對(duì)直流電機(jī)的控制。這種控制方法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小。缺點(diǎn)是當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，電機(jī)的功率因數(shù)會(huì)降低，而定子電壓則會(huì)升高，所以要讓電機(jī)正常運(yùn)行，其逆變器必需要有足夠的容量。

（3） 解耦控制

對(duì)永磁同步電機(jī)的電壓方程進(jìn)行相應(yīng)的拉氏變換，用結(jié)構(gòu)圖表示其傳遞函數(shù)見(jiàn)圖1所示。從圖中可以明顯的看出，永磁同步電機(jī)的dq 軸分量相互耦合，不能實(shí)現(xiàn)Ud和Uq對(duì)id和ωM分別的控制，因此，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高性能控制的關(guān)鍵在于解耦控制。

矢量控制可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)解耦，前提是定子磁鏈必須到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，但動(dòng)態(tài)過(guò)程仍相互耦合，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)不能令人滿意。

對(duì)永磁同步電機(jī)的控制而言，已有許多解耦控制方法出現(xiàn)： 如將永磁同步電機(jī)解耦成二階線性轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)和一階線性磁鏈子系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈動(dòng)態(tài)解耦控制； 針對(duì)dq 坐標(biāo)系下提出的反饋解耦控制方案，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)下，對(duì)指令速度有良好的轉(zhuǎn)速跟蹤性能； 還可以對(duì)永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行可逆性求解，得出逆系統(tǒng)進(jìn)而構(gòu)造相應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速和定子磁鏈的動(dòng)態(tài)解耦。

三、信號(hào)反饋技術(shù)

通常要獲得更高性能的控制效果，交流伺服系統(tǒng)需要運(yùn)行于閉環(huán)控制狀態(tài)下，因而需要獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、速度信息等，一般的方法是在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝光電編碼器或測(cè)速電機(jī)等。但裝上傳感器，會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題： 伺服產(chǎn)品成本增加； 由于同心度問(wèn)題，轉(zhuǎn)子位置出現(xiàn)偏差； 連接線纜增加，使得系統(tǒng)容易受到干擾，系統(tǒng)可靠性降低； 電機(jī)的體積增大； 易受到振動(dòng)、濕度和溫度等條件的影響。

為了克服這些缺陷，無(wú)位置/速度傳感器伺服系統(tǒng)的研究成了當(dāng)前的熱點(diǎn)，根據(jù)容易測(cè)出的定子電壓、定子電流等物理量，通過(guò)相應(yīng)的算法，估算出當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置與轉(zhuǎn)速信息。無(wú)速度傳感器控制策略大體上可分為3 類(lèi)：

一類(lèi)是根據(jù)永磁同步電機(jī)的數(shù)據(jù)模型來(lái)估算的方法，如通過(guò)獲得定子電流和電壓后進(jìn)行直接計(jì)算的方法； 通過(guò)比較電壓計(jì)算值與實(shí)測(cè)值得到轉(zhuǎn)子位置的電感變化估算方法； 反電動(dòng)勢(shì)積分法； 擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法等。

另一類(lèi)是基于各種觀測(cè)器模型的閉環(huán)算法，如模型參考自適應(yīng)、降階狀態(tài)觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器、全階狀態(tài)觀測(cè)器、滑模觀測(cè)器等。這類(lèi)方法是通過(guò)永磁同步電機(jī)的電壓方程推算出感應(yīng)的反動(dòng)勢(shì)，再?gòu)闹刑崛〕鑫恢眯盘?hào)，適用于高速運(yùn)行狀態(tài)下的位置與速度估算，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)信噪比小，不能準(zhǔn)確估算轉(zhuǎn)子和位置。

還有一類(lèi)是以基于電機(jī)理想特性的算法，如高頻信號(hào)注入法和低頻信號(hào)注入法。高頻信號(hào)注入法不依賴于任何電機(jī)的參數(shù)和運(yùn)行的情況，因而可以工作于低速運(yùn)行狀態(tài)，但電機(jī)必需是凸極性的。而低頻信號(hào)注入法要求電機(jī)不能具有凸極效應(yīng)，而且電機(jī)轉(zhuǎn)子不能有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，否則檢測(cè)精度會(huì)變差。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文給出了永磁同步電機(jī)運(yùn)行的兩種基本模式，并將其控制策略歸納為三個(gè)方面。針對(duì)這三個(gè)方面，分別進(jìn)行了綜述性的介紹。為了滿足各種場(chǎng)合應(yīng)用的需求，需要將各種控制方法相互滲透，以提高當(dāng)前伺服系統(tǒng)的整體性能。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)作為一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，其研究方向還可以從其它方面更進(jìn)一步： ① 優(yōu)化的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)； ② 定子電流死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)； ③ 無(wú)位置/速度傳感器控制技術(shù)； ④ 多種方法相結(jié)合的閉環(huán)調(diào)節(jié)器控制策略的研究； ⑤ 電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)等。

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