永磁同步電機的控制方式

來源：小牛機器人

早期對永磁同步電機的研究主要是對固定頻率供電的永磁同步電機運行特性的研究，特別是穩態特性和直接啟動性能的研究。永磁同步電機的直接啟動是依靠阻尼繞組提供的異步轉矩將電機加速到接近同步轉速，然后由磁阻轉矩和同步轉矩將電機牽入同步來實現的。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在這方面做了大量的研究工作。

20世紀80年代，國外開始對逆變器供電的永磁同步電機進行深入研究。逆變器供電的永磁同步電機與直接啟動的永磁同步電機的結構基本相同，但在大多數情況下無阻尼繞組。

阻尼繞組有以下缺點：第一，阻尼繞組產生熱量，使永磁材料溫度上升；第二，阻尼繞組增大轉動慣量，使電機力矩慣量比下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機脈動力矩增大。在逆變器供電情況下，永磁同步電機的原有特性將會受到影響，其穩態特性和暫態特性與恒定頻率下的永磁同步電機相比有不同的特點。

1980年后科研人員發表了大量研究永磁同步電機的數學模型、穩態特性、動態特性的論文。A.V.Gumaste等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電機穩態特性及電流型逆變器供電的永磁同步電機穩態特性。

隨著人們對永磁同步電機調速系統性能要求的不斷提高，需要設計出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機。隨著微型計算機技術的發展，永磁同步電機矢量控制系統的全數字控制也取得了很大的進展。

D.Naunin等研制了一種永磁同步電機矢量控制系統，采用了16位單片機8097作為控制計算機，實現了高精度、高動態響應的全數字控制。20世紀80年代末至90年代初，B.K.Bose等發表了大量關于永磁同步電機矢量控制系統全數字控制的論文。

永磁同步電機矢量控制系統轉速控制器大多采用比例積分（PI）控制。PI控制器具有結構簡單、性能良好、對被控制對象參數變化不敏感等優點。

1991年，R.B.Sepe首次在轉速控制器中采用自校正控制。早期自適應控制主要應用于直流電機調速系統。我國臺灣大學劉天華等首次將魯棒控制理論應用于永磁同步電機伺服驅動。

電機在運行過程中，模型和參數是不斷變化的，參數和模型的變化將引起控制系統性能的降低?，F代控制理論中的各種魯棒控制技術能夠使控制系統在模型和參數變化時保持良好的控制性能。因此，將各種魯棒控制技術運用于電機調速領域，可以大大提高調速系統的性能。在這方面運用得較為成功的控制技術主要有自適應控制、變結構控制、參數辨識技術等。

永磁同步電機的控制

（1）開環控制方式

由于同步電機的轉速會嚴格根據電源頻率變化，因此可以通過變頻器的V/F開環控制方式來控制同步電機的轉速。在多臺電機要求嚴格同步的場合，可以用一臺變頻器驅動多臺永磁同步電機來實現多個軸之間的同步，有人稱這種控制方式為外同步方式。由于是開環控制，同步電機的動態響應能力相對比較弱。

（2）閉環矢量控制方式

對于永磁同步電機的控制，目前市場上應用最多的是帶有編碼器反饋的閉環控制，控制思想采用了空間矢量分解的方式，將電機的實際電流按扭矩電流與勵磁電流兩個方向進行分解。同步電機閉環控制的難點是首先必須知道永磁轉子的實際位置，然后控制定子繞組產生的旋轉磁場，保證其與轉子實際位置呈90°的空間夾角，以產生最大的電機扭矩。

通常情況下，轉子的實際位置通過編碼器回饋給驅動器，如采用增量式編碼器，除了A、B、Z相的脈沖信號反饋轉子的實際速度外，還有U、V、W信號，U、V、W信號與電機三相反電動勢同頻率、同相位，根據它們的不同狀態，可將360°電角度平面分成6個部分，用以確定電機的初始轉子位置角。

增量式正/余弦編碼器除了速度信號，還提供了C、D通道，用來顯示電機的初始轉子位置。如果缺少了轉子的位置信息，則驅動器不能建立正確的旋轉磁場，會導致運行失敗或者是電機的轉矩波動較大。當然，很多高性能的驅動器還可以對電機轉子實際位置進行識別。例如計算定子磁鏈矢量的空間位置來估計電機的轉子位置、計算定子相電感來估計轉子位置等。西門子Sinamics S120伺服驅動器給用戶提供了以下幾種轉子位置的識別方式。

①基于運動模式。

②基于一階飽和模式。

③基于二階飽和模式。

④基于直流注入的模式，如下圖所示。

基于直流注入模式的磁極位置識別

（3）無傳感器的矢量模式方式

安裝傳感器會給電機帶來一定的麻煩與弊端，具體如下。

①機械傳感器增加了電機轉子軸上的轉動慣量，加大了電機空間尺寸和體積。

②機械傳感器的使用增加了電機與控制系統之間的連接線和接口電路，使系統易受干擾，降低了可靠性。

③受機械傳感器使用條件如溫度、濕度和震動的限制，調速系統不能廣泛適應各種場合。

④機械傳感器及其輔助電路增加了調速系統的成本，某些高精度傳感器的價格甚至可與電機本身價格相比。

為了克服使用機械傳感器給調速系統帶來的缺陷，許多學者開展了無機械傳感器交流調速系統的研究。無機械傳感器交流調速系統是指利用電機繞組中的有關電信號，通過適當方法估計出轉子的位置和速度，取代機械傳感器，實現電機控制。

永磁同步電機無速度傳感器矢量控制技術的關鍵，在于如何根據測量的電機電流和電壓信號估計電機的轉速和轉子位置。對于永磁同步電機調速系統可以采用一些直觀的方法，即利用其特殊的電磁特性，來構造速度和轉子位置的估計方法。同時，現代控制、辨識技術的發展，為我們提供了許多可行的觀測器構造方法來估計控制過程中的狀態變量或參數。

在電機的無速度傳感器矢量控制技術中，主要采用的觀測器有全階狀態觀測器、自適應觀測器、變結構觀測器、卡爾曼濾波器等。采用這些方法構造的電機轉子位置和速度觀測器具有動態性能好、穩定性強、參數敏感性小等特點。隨著高速數字信號處理器（DSP）技術的發展，各種具有優良性能的速度觀測器在無速度傳感器矢量控制系統中得到廣泛運用。

實踐證明，無論是識別電機轉子的實際位置，還是評估轉子速度，目前的技術手段都還沒有辦法保證精準控制的需求，特別是在低頻運行過程中，無傳感器矢量控制電機的轉矩波動大。

審核編輯：湯梓紅

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