，，

(中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西西安 710018)

0 引言

永磁同步電機(jī)與其它電機(jī)比較有許多優(yōu)勢(shì)，比如構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高，并且散熱性能佳。而永磁材料的物理性能不斷提高，成本逐步降低，使得永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)在日常生活以及軍工品等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣的應(yīng)用。并且，永磁同步電機(jī)是包含變量非常多，是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，內(nèi)部電磁關(guān)系更是復(fù)雜，其性能與電機(jī)的控制策略息息相關(guān)，因此,一種合適的控制策略的選擇,是永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵。

1 永磁同步電機(jī)發(fā)展背景和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展背景

眾所周知，電機(jī)是一門綜合電機(jī)學(xué)、電力電子學(xué)、自動(dòng)控制、和計(jì)算機(jī)應(yīng)用等多門的學(xué)科知識(shí)，永磁電機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了材料學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械加工和電磁場(chǎng)理論的發(fā)展，1831年，英國(guó)科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中會(huì)受力產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)這一現(xiàn)象。并且，法國(guó)人在1832年就應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制造發(fā)電機(jī)，由于材料限制，選用鐵磁礦石作為永磁材料，隨著人們對(duì)材料科學(xué)的了解和研究，發(fā)現(xiàn)金屬間化合物擁有一些特殊的物理特性，包括在聲、光、電、熱、磁等方面，直到上世紀(jì)60年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)稀土元素和過渡族元素進(jìn)行融合，可以形成金屬間化合物永磁材料，隨著納米技術(shù)發(fā)展，又出現(xiàn)了納米復(fù)合稀土永磁材料，使得永磁材料的性能和加工工藝得到快速發(fā)展，在電機(jī)上的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，這樣電機(jī)在材料選擇方面發(fā)展先是磁鐵礦石產(chǎn)生磁場(chǎng)到電勵(lì)磁最后又到高性能永磁材料產(chǎn)生磁場(chǎng)。

永磁電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)是由永磁材料產(chǎn)生，永磁材料在電機(jī)中既是磁路，又是磁源。磁路結(jié)構(gòu)是復(fù)雜多樣的，電磁計(jì)算變得非常復(fù)雜，常用的磁路計(jì)算方法為“場(chǎng)化路”的方法[1]有局限性，較小的計(jì)算量情況下，比較適用，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，美國(guó)的Ansys 公司推出的軟件，可以通過有限元方法對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效計(jì)算，目前，永磁電機(jī)正在向多功能化、大轉(zhuǎn)矩和微型化方向發(fā)展。

1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外伺服系統(tǒng)現(xiàn)狀向著三個(gè)方向發(fā)展，歸納大致如下。

(1)交流化

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1970年前，小慣量的伺服電動(dòng)機(jī)采用直流方式。交流電動(dòng)機(jī)開始于1970年之后，交流伺服電機(jī)開始大范圍覆蓋，在美國(guó)、德國(guó)等工業(yè)化國(guó)家，更加是達(dá)到80%，可見隨著永磁材料性能不斷研發(fā)，成本不斷下降，控制策略進(jìn)一步研究，永磁體式轉(zhuǎn)子的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)應(yīng)用范圍會(huì)越來(lái)越廣，交流伺服系統(tǒng)成為主流。

(2)數(shù)字化

從目前微處理芯片的發(fā)展，基于DSP處理器的數(shù)字化的伺服控制系統(tǒng)正在取代傳統(tǒng)的模擬電子原器件伺服控制系統(tǒng)，數(shù)字化的發(fā)展，使得原來(lái)復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)越來(lái)越少，取而代之是優(yōu)化的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這樣使得電機(jī)智能控制更加科學(xué)、便利。

(3)微型化

應(yīng)用于輸出模塊的晶體管，比如絕緣門極晶體管(IGBT)、大功率晶體管(GTR)等半導(dǎo)體元件，可以把這些晶體管與電路控制部分合為一個(gè)部分，智能化功率模塊，這樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化而且整個(gè)系統(tǒng)變得微型化。

2 基本結(jié)構(gòu)和分類

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示，按照永磁體在轉(zhuǎn)子中的位置和形狀,可以歸為面裝式、內(nèi)裝式和插入式有三種[2]。面裝式結(jié)構(gòu)：內(nèi)徑小，并且氣隙大，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所需要的慣量較小，同時(shí)針對(duì)定位轉(zhuǎn)矩和繞組的電感要求不高，具有好的精準(zhǔn)性和良好的可操作性，在交流永磁伺服電機(jī)中應(yīng)用較為廣泛；插入式顧名思義是將永磁體插入轉(zhuǎn)子表面的凹槽中，這樣對(duì)永磁體受到保護(hù)，擁有較好的動(dòng)態(tài)性，主要用于永磁同步電機(jī)相應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)中，但是容易漏磁而且價(jià)格較高，它的充磁方式常為徑向充磁，因磁阻轉(zhuǎn)矩因素，電機(jī)功率密度顯著上調(diào)；內(nèi)裝式永磁同步電機(jī)是將磁體放在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，因此制造過程復(fù)雜，成本過高。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

按照感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形劃分，永磁同步電機(jī)分為正弦波永磁同步電機(jī)和梯形波永磁同步電機(jī)，梯形波永磁同步電機(jī)又叫永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，與有刷直流電機(jī)不同，基本原理是將有刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子調(diào)換，使梯形波電流直接作用在定子繞組上，產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，沒有了機(jī)械換向器與電刷，就不會(huì)引起換向產(chǎn)生的火花、電機(jī)的機(jī)械噪音等不足，因此在家電、自動(dòng)化領(lǐng)域、工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但是電流換相時(shí)產(chǎn)生的力矩波動(dòng)，對(duì)于永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是不可避免的，這是由于永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三相電樞繞組中任意時(shí)刻，都是只有兩相通電，電機(jī)感性負(fù)載的特性導(dǎo)致實(shí)際電樞電流并不是理想的梯形波，疊流現(xiàn)象的出現(xiàn)力矩波動(dòng)，正弦波永磁同步電機(jī)，無(wú)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)缺陷，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好，適合在對(duì)力矩波動(dòng)要求嚴(yán)格的環(huán)境中使用，如航空航天、高精度實(shí)驗(yàn)臺(tái)等環(huán)境應(yīng)用。

3 控制策略

永磁同步電機(jī)由定子與轉(zhuǎn)子組成，定子產(chǎn)生的是空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子是在定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)中進(jìn)而產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)。定子的結(jié)構(gòu)包括硅鋼片、繞組和端蓋，固定在電機(jī)的外殼上，轉(zhuǎn)子由永磁鐵、磁軛和鐵心軸承構(gòu)成，當(dāng)工作的時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁動(dòng)力，同時(shí)與定子產(chǎn)生的三相電流組合而成為電樞磁動(dòng)力，這就是電樞反應(yīng)。永磁同步電機(jī)依據(jù)控制策略可以分為矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，都是基于多變量的非線性數(shù)學(xué)。

3.1 矢量控制

這種控制系統(tǒng)始于1971年的德國(guó)工程師Blaschke設(shè)計(jì)了矢量旋轉(zhuǎn)器 VR的算法和運(yùn)算電路，提出在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系上控制定子電樞電流的想法，于是在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了與直流電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)控制，之后他的導(dǎo)師W.Le-onhard 教授完成了定向矢量控制系統(tǒng)從理論到實(shí)踐的研究，從此矢量控制技術(shù)逐漸成熟，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，無(wú)論是軋鋼機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，還是很小的伺服系統(tǒng)，都有矢量控制的成功應(yīng)用。

矢量控制又稱為解耦控制，即對(duì)磁通和轉(zhuǎn)矩分別獨(dú)立的控制，根據(jù)這一想法，針于永磁同步電機(jī)，只需找到可以單獨(dú)控制的定子磁鏈電流和單獨(dú)控制的電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流，便可以實(shí)現(xiàn)像直流電機(jī)一樣好的動(dòng)態(tài)性能，因此矢量控制方法也多樣化的。目前最主要的控制方法有：恒轉(zhuǎn)矩角控制、單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制法、功率因數(shù)恒定為 1控制法、弱磁控制法等。

(1)恒轉(zhuǎn)矩角控制法

恒轉(zhuǎn)矩角控制法是使轉(zhuǎn)矩角始終維持在 90°，輸出的電磁轉(zhuǎn)矩與q軸電流成正比，電樞反應(yīng)為零，優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，效果與直流電機(jī)相似，缺點(diǎn)為漏感壓降和功率因數(shù)都與電磁轉(zhuǎn)矩影響關(guān)系密切，因此，這種方法受限于對(duì)低速性能場(chǎng)所。

(2)單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制法

對(duì)于凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)，在相同電磁轉(zhuǎn)矩輸出下，其輸出的定子電流最小，電機(jī)銅耗最低，逆變器容量可以選得最小，系統(tǒng)成本得到降低，因此它是較為廣泛使用的一種電流控制方法。

(3)功率因數(shù)恒定為 1控制法

當(dāng)功率因數(shù)恒定為 1時(shí)，逆變器的容量便可以充分利用，因此降低和之匹配的逆變器的容量，但是這種方法在逆變器輸出同等電流時(shí)，它的輸出電磁轉(zhuǎn)矩較小。

(4)弱磁控制法

永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制的思想原理是借助弱磁來(lái)拓寬調(diào)速范圍。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的極限運(yùn)行于恒功率區(qū)時(shí)，這時(shí)候電機(jī)的端電壓便達(dá)到了極限電壓值，通常采用降低直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流的手段，來(lái)得到更大的轉(zhuǎn)速，滿足電壓平衡方程。也就是說(shuō)，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)可以通過減小勵(lì)磁的電流從而減小勵(lì)磁的大小，實(shí)現(xiàn)弱磁增速的效果。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)由轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生而不可調(diào)節(jié)，因電動(dòng)車此通常采取調(diào)節(jié)直軸的電流的方法來(lái)減小勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)弱磁增速效果。弱磁控制法多應(yīng)用于多人運(yùn)輸車和廠房的叉車、機(jī)加工的機(jī)床主軸等場(chǎng)合。

3.2 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制德國(guó)魯爾大學(xué)的 M.Depenbrock 教授提出的，與矢量控制比較，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采取在定子上，用靜止坐標(biāo)系，構(gòu)建定子電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的模型，然后通過電壓矢量到達(dá)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值的控制，同時(shí)由于沒有電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)，因此它具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和轉(zhuǎn)矩相應(yīng)快的特點(diǎn)，特別是瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)場(chǎng)所優(yōu)勢(shì)巨大，如具有大慣量負(fù)載的電汽機(jī)車。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)存在在低速區(qū)開關(guān)頻率低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大問題。這樣降低低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成關(guān)注的熱點(diǎn)，因此，包括采用離散空間矢量調(diào)制方法、優(yōu)化電壓矢量作用時(shí)間方法、智能控制算法方法和模糊控制理論來(lái)控制方法等，但是這些運(yùn)算量都較大，處理器的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量要求較高。

3.3 控制算法融合技術(shù)

矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制不同之處在于：矢量控制系統(tǒng)專注于定子總磁鏈在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上的定向研究，把定子總磁鏈通過坐標(biāo)變換，定子電流在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的坐標(biāo)系上分解，分成勵(lì)磁分量和電磁轉(zhuǎn)矩分量，這樣達(dá)到定子磁通和電磁轉(zhuǎn)矩的分別控制，實(shí)現(xiàn)解耦；而直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)專注于定子總磁鏈?zhǔn)噶勘旧淼亩ㄏ蜓芯?，永磁同步電?dòng)機(jī)是多變量系統(tǒng)，將這個(gè)系統(tǒng)分解成獨(dú)立的單變量定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩，然后將兩個(gè)子系統(tǒng)分別控制，實(shí)現(xiàn)解耦。一般，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以達(dá)到更快的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，而矢量控制可以到達(dá)較好的低速穩(wěn)態(tài)性能和較寬調(diào)速范圍；文獻(xiàn)[3]提出了基于定子磁鏈方向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)矩控制策略，并且在靜止坐標(biāo)系中。該控制方案融合了直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制策略，而且實(shí)現(xiàn)了精確動(dòng)態(tài)補(bǔ)償定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩誤差的目的，降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和控制算法融合技術(shù)在永磁同步電機(jī)控制中的應(yīng)用。 這些控制方法各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用和理論分析中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況，采用與之相應(yīng)的控制策略，隨著技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)在控制策略方面不斷發(fā)展因此, 開展永磁同步電機(jī)控制技術(shù)的研究, 促進(jìn)數(shù)字化、智能的控制方法的應(yīng)用, 是今后研究一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。