車煥 郜世磊

摘要：通用變頻器一般都是為驅動三相異步電動機而設計的，在用于驅動永磁同步電動機開環(huán)運行時，U/f曲線的限制往往不能滿足實際起動的需要，本文采用電壓控制方法來解決這一難題，同時本文改采用自適應控制去尋找給定轉速和轉矩下的最高效率運行點，實現(xiàn)了電機和逆變器整體效率的優(yōu)化控制。

Abstract： General purpose inverters are generally designed to drive three phase induction motors， and when used to drive brushless electric motor， the limits of the U/F curve often can not meet the actual starting requirements， in this paper， the voltage control method is used to solve this problem. At the same time， the adaptive control method is used to find the highest efficiency operating point under the given speed and Torque.

關鍵詞：永磁同步電動機;電壓控制;自適應

Key words： permanent magnet synchronous motor（PMSM）;voltage control;self adaptation

中圖分類號：TM343? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0100-02

0? 引言

由于永磁同步電動機（PMSM）特殊的優(yōu)點，如高效率、高功率因數(shù)、高功率密度，使得它在運動控制設備中獲得廣泛的應用。當PMSM驅動系統(tǒng)應用于風機和水泵設備時，簡單的U/f控制策略能夠替代無傳感器的磁場定向控制，從而提高工作效率。

采用VVVF通用變頻器驅動PMSM時，必須根據(jù)電機的參數(shù)來設定起動U/f曲線，同時由于VVVF通用變頻器可設的U/f曲線有限，導致所設起動曲線往往不能滿足實際起動的需要，即為PMSM的起動問題。本文采用電壓控制方法可減少其對電驅動系統(tǒng)U/f曲線的依賴性，很好地解決了這一難題。

VVVF通用變頻器驅動PMSM的不足之處除起動困難外，還會出現(xiàn)電流增大、溫升過高、噪聲異常、振動等現(xiàn)象，使電機效率下降。這主要是由永磁同步電動機與VVVF通用變頻器各自的工作特點所決定的，VVVF通用變頻器的U/f曲線設置的不合理，且運行中不可改變。解決上述問題最有效的辦法是采用專用的變頻驅動電源，通過搜索算法尋找最優(yōu)U/f曲線。

1? 電壓控制方法

對于風機泵類負載在變頻調速時采用簡單的V/F控制就能實現(xiàn)調速功能。而對PMSM采用變頻控制時，V/f的設置較為關鍵。通用變頻器由于需要根據(jù)電機的參數(shù)來設定V/f曲線并且可設的V/f曲線有限，往往不能滿足實際的需要。PMSM采用電壓控制方法可減少其對電驅動系統(tǒng)V/f曲線的依賴性，很好地解決了此類問題[2]。

計算電壓時，必須對定子阻抗壓降進行精確地補償，這在低速運行時尤為重要[3]。圖1所示為PMSM的相量圖，可用來解釋帶有定子阻抗壓降補償?shù)碾妷河嬎惴椒ā?/p>

在圖1三角形OAB中，AC垂直于OB，故可得電壓相量的穩(wěn)態(tài)值Us為：

式（1）可用來計算PMSM電壓幅值命令，定子磁通感應電動勢Es可從所需的穩(wěn)態(tài)恒定定子磁通得到，用恒定的定子磁通作為轉子永磁磁通λm，根據(jù)這種選擇，電機需要的定子電壓可以保持相對較低，并且電機的空載電流可以減小。Es可通過如下計算得到：

式中f0——電動機的給定頻率;

λm——轉子的永磁磁通。

雖然Is和cosφ0是穩(wěn)態(tài)值，根據(jù)式（1），可用它們的瞬時測量值控制電壓的幅值，式中Is cosφ0項是定子電流相量連同電子電壓相量一起的部分，通過把測量的相電流轉換到固定參考坐標下的定子電壓，這一項可以瞬時計算為：

式中is——電流相量幅值的瞬時值;

φ——功率因數(shù)角的瞬時值;

ias、ibs—— 是相電流的測量值;

θe是電壓相量在靜止參考坐標下的位置。

用瞬時計算值和Es值，來計算電壓指令v*s，其幅值的最終表達式可寫為：

通過測量電流瞬時值，在驅動系統(tǒng)中的實現(xiàn)電壓的計算如圖2所示。為了消除計算電流值is和is cos？準高頻時的波動，使用了兩個低通濾波器（LPF）。

圖3所示為電壓控制方法的整體框圖，通過測量電流瞬時值和給定的頻率計算出所需要的電壓值作為逆變驅動系統(tǒng)的給定，通過控制IGBT的開斷時間來控制電壓的幅值。

2? 泵用PMSM系統(tǒng)效率優(yōu)化策略

本文的泵用PMSM驅動系統(tǒng)的電壓和頻率可以獨立控制，效率優(yōu)化控制就很容易實現(xiàn)，可采用自適應控制去尋找給定轉速和轉矩下的最高效率運行點。該系統(tǒng)效率優(yōu)化的原理框圖如圖4所示。

調節(jié)逆變器的輸出電壓，使測得的直流環(huán)節(jié)平均電流最小，從而達到效率控制。通過這種方法，系統(tǒng)優(yōu)化的不僅僅是電機本體的效率，還是電機和逆變器的整體效率，電機的轉速可通過對逆變器頻率獨立地開環(huán)控制而維持恒定。

PWM電壓源逆變器以80C196MC為控制芯片，通過獨立地控制頻率和電壓幅值進行正弦波-三角波調制。由電壓型逆變器直流環(huán)節(jié)引出的平均直流電流（通過霍爾效應放大器和四極低通濾波器引出），通過效率控制環(huán)節(jié)和穩(wěn)定環(huán)，實現(xiàn)驅動系統(tǒng)效率（包括電動機和逆變器效率）最佳化和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制目的。

驅動系統(tǒng)效率優(yōu)化程序、頻率和電壓指令由80C196MC的實時中斷數(shù)字控制算法實現(xiàn)，算法運行中斷周期為2ms，80C196MC與逆變器接口采用12位的A/D、D/A。PMSM效率優(yōu)化控制算法的流程圖如圖5所示。

參考文獻：

[1]唐任遠，等.現(xiàn)代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]楊東進.變頻器V/f曲線的合理設定[J].電氣傳動，2001（4）：21-23.

[3]C. M. Ong and T. A. Lipo， “An approach to closed-loop design of a current source inverter/reluctance motor drive，” in Conf. Rec. 1975 IEEE-IAS Soc. Ann. Meeting， 494-500.