湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 何湘龍

永磁同步電動(dòng)機(jī)是一種利用永磁材料產(chǎn)生磁場(chǎng)、使得同步轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速相等的特種電機(jī)，擁有功率密度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，包括汽車(chē)、機(jī)器人、醫(yī)療器械、機(jī)床等。它的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的更快發(fā)展。

永磁材料方面：上世紀(jì)50年代第一代永磁材料鐵氧體BaFe12O19被開(kāi)發(fā)出來(lái)，由于其具有高的矯頑力和明顯的磁晶各向異性，掀開(kāi)了磁性材料新篇章。六、七十年代科學(xué)家相繼開(kāi)發(fā)出SmCo5和Sm2Co17永磁材料，將稀土元素和3d 過(guò)渡族元素結(jié)合起來(lái)，提高了永磁體的磁特性，被稱(chēng)為第二代永磁材料。到了上世紀(jì)80年代中期，第三代磁性材料的研究與開(kāi)發(fā)給永磁同步電機(jī)發(fā)展帶來(lái)了革命性的變化。我國(guó)擁有世界第一的稀土資源，是名符其實(shí)的稀土資源大國(guó)，擁有著大量的永磁材料等優(yōu)質(zhì)資源。豐富的原材料使我國(guó)在生產(chǎn)釹鐵硼磁體上擁有巨大優(yōu)勢(shì)。近些年來(lái)多所大學(xué)和研究所如沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中理工、清華大學(xué)相繼進(jìn)行稀土永磁電機(jī)的研究，取得了不少成果[1]。

控制理論方面：對(duì)永磁同步電機(jī)控制主要有電機(jī)的啟動(dòng)，調(diào)速和制動(dòng)三個(gè)方面，常用控制方式有PID 控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法控制等。國(guó)內(nèi)外最經(jīng)典的控制方法就是PID 控制，PID 控制器的表達(dá)式為：

它可同時(shí)改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，但前提是合理選擇Ti 和Td。

1 研究的目標(biāo)與內(nèi)容

通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)所使用的永磁材料、所設(shè)計(jì)的電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)及所利用到的控制理論進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一套最優(yōu)化矢量控制的電機(jī)控制系統(tǒng)，使其具有高效、節(jié)能的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在中石化等化工企業(yè)。研究?jī)?nèi)容如下。

優(yōu)化生產(chǎn)領(lǐng)域所使用的永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)。永磁同步電機(jī)和其它電機(jī)一樣，主要結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分。定子與轉(zhuǎn)子間存在氣隙。其中定子部分是指電機(jī)運(yùn)行時(shí)不動(dòng)的部分，由定子鐵芯、機(jī)座和三相對(duì)稱(chēng)電樞繞組等部分組成。一方面解決永磁同步電機(jī)的鐵損問(wèn)題，可采用疊片結(jié)構(gòu)，繞組嵌放在鐵心的槽中。轉(zhuǎn)子主要由永磁體、轉(zhuǎn)軸和導(dǎo)磁軛構(gòu)成，主要作用在電動(dòng)機(jī)氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度；另一方面解決永磁同步電機(jī)散熱的問(wèn)題，轉(zhuǎn)軸上留有傾斜式導(dǎo)熱槽，加大電機(jī)散熱面積[2]。

研究坐標(biāo)變換和永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)建模的步驟。在對(duì)各個(gè)坐標(biāo)系變換時(shí)應(yīng)遵守如下原則：確定電流變換矩陣時(shí)，應(yīng)遵循變換先后所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等效的原則；計(jì)算電壓變換矩陣和阻抗變換矩陣時(shí)，應(yīng)遵守變換前后電動(dòng)機(jī)功率不變的原則；為了矩陣運(yùn)算的簡(jiǎn)單、方便，要求電流變換矩陣是正交矩陣。永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)建模步驟：計(jì)算轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和定子電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)矩分量相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，也是同步電機(jī)主要的電磁轉(zhuǎn)矩；由分解有凸極效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻變化在電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱(chēng)為磁阻轉(zhuǎn)矩；合成樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)與阻尼繞組磁動(dòng)勢(shì)相互作用的轉(zhuǎn)矩。在沒(méi)有阻尼繞組或穩(wěn)定運(yùn)行情況下，阻尼繞組中沒(méi)有感應(yīng)電流。

圖1 帶有阻尼繞組的同步電機(jī)物理模型

研究矢量控制的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)策略。常見(jiàn)的PWM 控制技術(shù)有正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)、電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)和電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)。項(xiàng)目注重研究電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)，研究包括電壓矢量所在扇區(qū)的確定；基本電壓矢量作用時(shí)間的選擇；計(jì)算空間電壓矢量的切換點(diǎn)。在對(duì)永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系分析時(shí)，定子電流被分解相互垂直的兩個(gè)分量id、iq，即是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦。解決了對(duì)這兩個(gè)變量實(shí)行不同控制的問(wèn)題，得了到不同的控制策略?？刂撇呗杂兴姆N：id=0控制、cosφ=0控制、最大轉(zhuǎn)矩電流比控制、弱磁控制[3]。

永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)將把整個(gè)硬件系統(tǒng)分割成驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、傳感器部分、人機(jī)接口和PMSM 等幾部分。根據(jù)各個(gè)部分的需求來(lái)安排電路設(shè)計(jì)，解決stm32、IPM、傳感器相互間電平變化和驅(qū)動(dòng)能力的問(wèn)題，最后設(shè)計(jì)出硬件電路的總體框圖。所設(shè)計(jì)數(shù)字控制系統(tǒng)硬件優(yōu)點(diǎn)：控制器的體積小、重量輕、功耗低、硬件成本低；IC 集成度高，外部接線少，可靠性更加高；不像模擬器件一樣受外部條件影響十分明顯；可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，因此數(shù)字系統(tǒng)有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。項(xiàng)目研究將以微處理芯片為主，搭建一個(gè)充分利用其片上資源的矢量控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)將要達(dá)到電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速、保護(hù)等一系列功能。

圖2 擬完善的硬件總體框圖

永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)的搭建。項(xiàng)目研究以Keil uVision2開(kāi)發(fā)軟件為載體進(jìn)行系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)，因其兼容單片機(jī)C 語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，同時(shí)保留了匯編代碼高效、快速的特點(diǎn)，包括編譯器、匯編器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、項(xiàng)目管理器、調(diào)試器等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

2 項(xiàng)目創(chuàng)新之處及研究的意義

項(xiàng)目研究的對(duì)象為化工企業(yè)（重污染、高危險(xiǎn)、省支柱產(chǎn)業(yè)）生產(chǎn)車(chē)間中的永磁同步電機(jī)，項(xiàng)目將優(yōu)化永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)，使其具有高效、節(jié)能的特點(diǎn)，符合國(guó)家節(jié)能減排、綠色環(huán)保的政策；在設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)控制方案時(shí)，利用現(xiàn)代先進(jìn)的控制理論——矢量控制；設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)控制的硬件系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)校企合作和企業(yè)一線技術(shù)骨干的參與研究，項(xiàng)目組能接觸到工業(yè)生產(chǎn)一線的資料，項(xiàng)目能在充分實(shí)踐的基礎(chǔ)上進(jìn)行，使項(xiàng)目具有良好的可行性和實(shí)用性；設(shè)計(jì)出完整軟件控制程序，具有良好的人機(jī)交流界面，可操作性強(qiáng)。

近年來(lái)在電機(jī)控制界刮起了矢量控制技術(shù)潮流。矢量控制系統(tǒng)是指利用電機(jī)繞組中的有關(guān)電信號(hào)，通過(guò)恰當(dāng)?shù)姆椒ㄓ?jì)算出轉(zhuǎn)子的位置和速度并以此取代機(jī)械傳感器的作用，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。這項(xiàng)技術(shù)使得設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)降低成本，系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)不受外界因素變化的影響，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

一方面，石化企業(yè)生產(chǎn)車(chē)間一般屬于易燃易爆的危險(xiǎn)環(huán)境，普通的直流電機(jī)在運(yùn)行中進(jìn)行機(jī)械轉(zhuǎn)向時(shí)要通過(guò)電刷，產(chǎn)生的電火花很有可能引發(fā)?；反蟊ǖ任ｋU(xiǎn)，現(xiàn)實(shí)的需要對(duì)電機(jī)的發(fā)展提出更高要求，因此對(duì)永磁同步電機(jī)的研究，使其從外觀與結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)體積小、易操作、易散熱、易維護(hù)；從功能上來(lái)說(shuō)運(yùn)行效率高、功率因數(shù)高、功率密度高、體積小、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

另一方面，企業(yè)的生產(chǎn)很多情況下是一種能量的轉(zhuǎn)換，如電機(jī)就能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。但在節(jié)能減排的今天，能量轉(zhuǎn)換的效率是考慮的一個(gè)重要性能指標(biāo)，電機(jī)的控制策略、能量轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展的優(yōu)劣直接影響轉(zhuǎn)換效率的大小，因此永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)將對(duì)人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)與生活的影響深遠(yuǎn)。總之，對(duì)永磁同步電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行研究是有意義、有價(jià)值的。