宗 謹

（甘肅民族師范學(xué)院，甘肅 合作 747000）

1 永磁同步電動機的發(fā)展

永磁同步電動機是一種新型的同步電動機，由于其具有能量損耗低、體積小、效率高的優(yōu)勢，在各個領(lǐng)域中都有永電機的身影。隨著科技的發(fā)展及人們對永磁電機的深入研究，憑借其良好的磁特性、低成本和材料豐富等方面，永磁同步電機吸引了各國的興趣，并得到了廣泛的應(yīng)用。截至1990年，釹鐵硼永磁材料占世界永磁材料市場份額的一半，成為永磁同步電動機首選的永磁材料，這使永磁同步電機系統(tǒng)的研究成果對社會發(fā)展及科技創(chuàng)新起到了巨大作用[1]。

2 永磁同步電動機的應(yīng)用

永磁同步電機廣泛應(yīng)用于計算機、軍事、精密儀器等眾多領(lǐng)域，尤其在汽車領(lǐng)域，某款新型電動汽車采用熱管永磁同步電機，它是為了降低繞組端部溫度而設(shè)計的，采用FLUENT軟件對溫度場進行模擬，采用熱管的永磁同步電機繞組溫度分布與傳統(tǒng)的電機繞組溫度分布基本可以認為是相同的。PMSM驅(qū)動器的高性能控制要求對機器參數(shù)有準確的了解，自適應(yīng)控制算法可以使用更新的參數(shù)信息，并相應(yīng)地修改控制器行為，機器參數(shù)的知識也可用于故障檢測，也可以用來推導(dǎo)普通永磁同步電機（PMSM）和永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型。采用有限元法計算兩種同步電機的低速性能和高速性能，并對其調(diào)速性能進行了比較。研制了兩臺永磁同步電機樣機，并對樣機進行性能測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)的調(diào)速性能比較優(yōu)越。

在過去的幾十年中，由于新材料、新型電機拓撲、電力電子、微處理器和軸承技術(shù)的發(fā)展，高速電機驅(qū)動系統(tǒng)因其高功率密度和高效率而在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用，如鼓風機、離心式壓縮機、飛輪系統(tǒng)、微型渦輪、泵、錠子和渦輪增壓器等。高速電機的主要優(yōu)點之一是在給定的功率下減少系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量，因為電機的輸出功率與轉(zhuǎn)速和體積成正比。使用高速機器的另一個原因是由于消除了中間齒輪、皮帶和其他傳動裝置，從而提高了可靠性。由于電力電子技術(shù)和永磁材料的最新進展，一種比傳統(tǒng)感應(yīng)電機更輕、更小、更高效的永磁同步電機（PMSM）作為牽引電機已成為現(xiàn)實。

2.1 調(diào)速永磁同步電動機發(fā)展概況

永磁同步電動機帶負載時，氣隙磁場是永磁體磁動勢和電樞磁動勢共同建立的，電樞磁動勢對氣隙磁場有影響，電樞磁動勢的基波對氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。隨著鋁鎳鈷永磁體和鐵氧體永磁的出現(xiàn)，磁性材料的耐熱性和最大磁能等性能指標得到提升，永磁電機在工業(yè)領(lǐng)域中蓬勃發(fā)展，并且隨著靈活直觀的虛擬參數(shù)化樣機技術(shù)的發(fā)展，永磁同步發(fā)動機的設(shè)計理論日益完善，設(shè)計手段不斷豐富，結(jié)構(gòu)更加靈活，種類越來越多，工藝得到了很大改進，應(yīng)用場合越來越廣泛，涉及航空航天、國防工業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和家庭生活。隨著中國節(jié)能項目的實施和生活質(zhì)量的提高，變速永磁體的市場需求將大幅增加。不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機的工作功率、控制模式和使用可能性各不相同。Strob Konex轉(zhuǎn)子磁控開關(guān)的結(jié)構(gòu)具有制造方便、慣性矩小等優(yōu)勢，在永磁同步電動機中矩形波速的調(diào)節(jié)得到運用。嵌入式通常是一種凸極結(jié)構(gòu)，相對于永磁磁場方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，可以分為徑向、切向和混合三種磁鏈。具體可參考圖1。

圖1 調(diào)速永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類型

這種磁路結(jié)構(gòu)的電機制造工藝復(fù)雜，成本相對較高且適合高速運行，由于該調(diào)速永磁同步電機動態(tài)穩(wěn)態(tài)性能高、調(diào)速范圍大，故在市場中被廣泛使用。

2.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)控制策略的發(fā)展現(xiàn)狀

永磁同步電機在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，因為它具有比市面上其他電機具有工作效率高、功率密度大、恒功率范圍寬的優(yōu)勢。所有的驅(qū)動器都需要一個位置傳感器來實現(xiàn)對機器的矢量控制。為了實現(xiàn)高性能的現(xiàn)場定向控制，準確的轉(zhuǎn)子位置信息是必不可少的，這通常由旋轉(zhuǎn)編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器測量。然而，這些傳感器的使用增加了成本、尺寸、質(zhì)量和布線復(fù)雜性，降低了整個PMSM控制系統(tǒng)的機械魯棒性和可靠性。設(shè)計師更喜歡使用位置傳感器（作為增量編碼器）產(chǎn)生的信號來估計速度。這種方法通常受到計算精度和用于速度估計的近似方法的量化誤差的限制。與外部位置環(huán)相比，速度環(huán)的動態(tài)性能需要更高的增益。速度估計方法通?；跀?shù)字位置信息（來自位置傳感器的脈沖數(shù)）。另一種方法是測量脈沖持續(xù)時間，通過編碼器產(chǎn)生的脈沖和高頻時鐘信號的重疊來計算電機的速度。通過編碼器脈沖計數(shù)時鐘信號可以估計速度，因為計數(shù)位置長度是一個已知的固定值。在低速時，一些估計方案提供了較差的結(jié)果，并作為一個結(jié)果，速度控制會變得不穩(wěn)定。總的來說，關(guān)于永磁同步發(fā)動機交流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要分為系統(tǒng)部件和調(diào)速系統(tǒng)研究兩個方向：系統(tǒng)部件如控制器、驅(qū)動器、傳感器和電機本體等；高性能永磁同步發(fā)動機調(diào)速系統(tǒng)是指該系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快、無故障靜態(tài)跟蹤、抗干擾能力強等優(yōu)點。兩種控制方式為矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，在具體情況下應(yīng)用各自不同。兩種控制方法從本質(zhì)上看都是通過控制q軸電流進一步對電機轉(zhuǎn)矩進行控制，這種控制的優(yōu)越性可以保證系統(tǒng)動靜態(tài)特性得到改善?；仡欁罱倪@幾年相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，永磁同步電動機的調(diào)速方案又在矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制下進行了升級。主要升級之處是利用一種全新的控制器代替以前用的PI控制器，升級后使得性能得到進一步優(yōu)化，如變滑?？刂?、自適應(yīng)控制、回退控制、反饋線性化等。有些算法直接改變了傳統(tǒng)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，另辟蹊徑后達到了更好的控制效果。這些控制方法包括面向模型控制、智能控制等。由于速度控制系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)子位置信息的高精度，高性能機械編碼器存在安裝困難、性價比低（如絕對定位）和系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的問題，因此考慮系統(tǒng)需要穩(wěn)定且綜合性價比因素，20世紀70年代人們開始研究無位置傳感器技術(shù)，該技術(shù)研究目前已經(jīng)初見成效，市場上也相繼出現(xiàn)部分應(yīng)用無位置傳感器技術(shù)的調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品。矢量控制技術(shù)在具體實施時需要與高精度的硬件設(shè)備配合，同時需要運用算法對電機參數(shù)進行合理補償。預(yù)測控制可以被分成四個部分，如圖2所示。

圖2 預(yù)測控制分類

PMSM調(diào)速系統(tǒng)可采用的控制策略有很多種選擇，控制策略都各自具有優(yōu)缺點，所以在選擇時需要結(jié)合實際的工作需要對利弊綜合考慮，最終形成一個控制效果優(yōu)異的復(fù)合型控制策略。

3 永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)

3.1 各類永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)概述

由Liu,BY基于新的非線性函數(shù)，設(shè)計出了改進的擴展狀態(tài)觀測器，該函數(shù)比現(xiàn)有函數(shù)具有更好的連續(xù)性和可導(dǎo)性，能有效地減少高頻顫振現(xiàn)象。將永磁同步電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的非線性動力學(xué)、模型不確定性和外部擾動擴展到一個新的狀態(tài)，可利用改進的擴展狀態(tài)觀測器來觀察該狀態(tài)。利用改進的擴展狀態(tài)觀測器可以實時預(yù)測和補償永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的超時變化。因此，基于新的非線性函數(shù)設(shè)計了改進的擴展狀態(tài)觀測器，因此可得出，該類型的永磁同步電機的調(diào)速系統(tǒng)的性能優(yōu)良。Kuznetsov等人解決了永磁同步電機在額定轉(zhuǎn)速和負載附近工作時，降低電機兩端過電壓的問題。他們的方法基于永磁體驅(qū)動控制系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)坐標系dq中的模型，其中電流控制通道Id被積極使用。降低過電壓的方法是基于一個具有可調(diào)模型形成自適應(yīng)系統(tǒng)的控制動作，該系統(tǒng)只工作在動態(tài)模式下。此外，自適應(yīng)控制器可以改善驅(qū)動速度的動態(tài)過程，減少轉(zhuǎn)速受外部轉(zhuǎn)矩影響時的超調(diào)和故障[5]。

3.2 永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)存在的問題

自20世紀70年代以來，對永磁同步發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的研究取得了很大進展，研發(fā)經(jīng)驗逐漸成熟，但仍然無法解決高性能應(yīng)用領(lǐng)域遇到的問題[6]。原因主要有以下幾點。

（1）永磁鐵芯同步電機在高速運行時，RON損耗會迅速增加，使電機產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致電機效率低下，甚至燒壞電機。無鐵芯永磁同步電動機彌補了這一缺陷，在高速運行時具有較高的效率。筆者對比分析了無鐵芯永磁同步電機在不同插槽接合類型下的轉(zhuǎn)矩密度，提出了一種無鐵芯方案，對原模型進行優(yōu)化。

（2）傳統(tǒng)的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)都被設(shè)計成電流環(huán)和速度環(huán)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，這是因為假設(shè)電氣時間常數(shù)遠遠小于機械時間常數(shù)，這種結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)線性的控制電流和轉(zhuǎn)速。然而，永磁同步電機具有非線性和強耦合的特點。此外，隨著發(fā)動機制造技術(shù)的發(fā)展，機械時間常數(shù)和電氣時間常數(shù)之間的差異越來越小。

（3）根據(jù)上文的描述，當高速運行時系統(tǒng)中的直接轉(zhuǎn)矩控制、動態(tài)響應(yīng)快且抗干擾能力強，相反當?shù)退贂r直接轉(zhuǎn)矩控制無法被實現(xiàn)。同時，由于控制器的使用，發(fā)動機扭矩的輸出有波動，這在某些控制精度要求高的場合是不允許的，扭矩波動容易對設(shè)備造成損壞。

（4）汽車永磁電機中永磁部件的不可逆退磁問題，是目前急需解決的一個問題，筆者分析了汽車用永磁零件的退磁機理和影響汽車用永磁零件退磁的主要因素。這些工作將為車輛永磁調(diào)速器的抗退磁設(shè)計提供有用的信息，有助于車輛永磁調(diào)速器抗退磁技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié)束語

與其他電機控制系統(tǒng)相比，永磁同步電機控制系統(tǒng)在工作效率、轉(zhuǎn)矩功率等效率指標、響應(yīng)速度和高精度監(jiān)測等控制性能、設(shè)計靈活性和易于應(yīng)用等方面具有明顯優(yōu)勢。同時在高性能伺服領(lǐng)域和其他場合，以及汽車、家電、風扇等有噪聲要求的場合，有著廣闊的應(yīng)用前景。中國在開發(fā)高效電機調(diào)速系統(tǒng)和節(jié)約能源方面具有優(yōu)勢。然而，永磁同步電機控制系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量和發(fā)動機控制行業(yè)的發(fā)展水平遠遠落后于美國、日本和德國的先進水平。永永磁同步電機控制系統(tǒng)尚未得到普及應(yīng)用，主要原因是發(fā)動機內(nèi)部轉(zhuǎn)速的永磁調(diào)節(jié)技術(shù)仍處于研發(fā)階段，開發(fā)經(jīng)驗和生產(chǎn)工藝都不是很成熟所以無法被推向市場。

在經(jīng)濟全球化的發(fā)展趨勢下，國際市場更加開放，市場需求快速增長，對產(chǎn)品性能的要求日益提高。因此，永磁同步電機控制系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢和較強的市場競爭力，已成為交流調(diào)速領(lǐng)域的一個研究熱點，研究永磁同步電機控制系統(tǒng)具有重要意義?！?/p>