西林叉車之——永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)（
作者：西林叉車 時(shí)間：【 2019-12-15】 文章來源：
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接上篇
4、永磁同步電機(jī)控制 技術(shù) 在永磁同步電機(jī)開始廣泛應(yīng) 用時(shí)，電力電子器件、數(shù)字信號(hào)處 理元件等都己經(jīng)有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，不 斷有新的產(chǎn)品面試，再加上交流調(diào) 速技術(shù)在尤其是異步電機(jī)上的廣 泛應(yīng)用，這些都給了永磁同步電機(jī) 調(diào)速研究一個(gè)很好的發(fā)展基礎(chǔ)。常 見的永磁同步電機(jī)的調(diào)速技術(shù)有 恒壓頻比控制、基于磁場定向的矢 量 控 制 以 及 直 接 轉(zhuǎn) 矩控制等。在高性能 轉(zhuǎn) 速 和 位 置 控 制 領(lǐng) 域，矢量控制應(yīng)用最 廣泛，電動(dòng)汽車的應(yīng) 用也包括在內(nèi)。（1）恒壓頻比控制 給電機(jī)施加上一個(gè)三相對(duì)稱 的交流電，此時(shí)電機(jī)的運(yùn)行速度與 電源的頻率成正比，因此可以通過 調(diào)節(jié)電源頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，即 恒壓頻比控制（VVVF）。由電機(jī)學(xué) 原理可以知道，電源電壓與頻率的 之比正比于電機(jī)磁通，因此保持該 比值恒定，電機(jī)就能保持比較穩(wěn)定 的運(yùn)行。 VVVF 控制不需要速度、位置、 電壓或電流等反饋信號(hào)，控制方法 簡單，控制成本低。它是一種開環(huán) 的控制方法，由于其只簡單控制了 電壓的幅值和頻率，電機(jī)的工作電 流不受控，無法實(shí)現(xiàn)精確控制電磁 轉(zhuǎn)矩的目的，因而系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 差且轉(zhuǎn)速控制不夠精確，只適用于 那些對(duì)調(diào)速性能要求不高的場合， 如壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等等。 （2）矢量控制 1971 年，德國西門子公司的 F. Blaschke 等人提出了磁場定向控制 即矢量控制的策略，標(biāo)志著交流調(diào) 速理論取得了突破性的進(jìn)展。矢量 控制最早應(yīng)用在異步電機(jī)的變頻 控制中，其基本思想源于對(duì)直流電 機(jī)控制系統(tǒng)的模擬。考慮到異步電 機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性 的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外 加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，如果以 磁場矢量的方向?yàn)閰⒖冀⒁孕?轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系下去研究電 機(jī)的各電氣量的特性可以發(fā)現(xiàn)，通 過矢量坐標(biāo)變換的方法可以把定 子電流中的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量 區(qū)分開來，由此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁 通與轉(zhuǎn)矩的解耦控制，這就使得交 流電機(jī)調(diào)速十分接近于直流電機(jī) 的控制方式，因而能夠獲得比較優(yōu) 異的控制性能。該控制系統(tǒng)從理論 上解決了非線性、強(qiáng)耦合的交流電 機(jī)高性能控制問題，使得交流伺服 系統(tǒng)日漸取代直流伺服系統(tǒng)成為 主流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。隨著永磁電機(jī)的廣 泛應(yīng)用，人們對(duì)永磁電機(jī)的矢量控 制進(jìn)行了大量的研究工作。矢量控 制在永磁電機(jī)中比異步電機(jī)中更 容易實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)橛来烹姍C(jī)沒有 轉(zhuǎn)差頻率電流，于是參數(shù)的敏感性 問題就不太嚴(yán)重。 對(duì)永磁同步電機(jī)的控制要求 可歸納為響應(yīng)快、精度高、脈動(dòng)小 等等，控制的關(guān)鍵因素是實(shí)現(xiàn)電機(jī) 轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)高性能控制。矢量控制 對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制可以歸結(jié) 為對(duì)電機(jī)交、直軸電流的控制。理 論分析可以知道，對(duì)于某一特定的 負(fù)載轉(zhuǎn)矩，可以通過調(diào)整不同大小 的交、直軸電流組合來實(shí)現(xiàn)，這些 組合在電機(jī)的運(yùn)行效率、功率因 數(shù)、穩(wěn)定運(yùn)行域等各方面都各不相 同。常見的電流控制策略主要分以 下幾種：1）id=0 控制；2）轉(zhuǎn)矩電流 比最大控制；3）功率因數(shù)等于 1 的 控制；4）恒磁鏈控制。 1）id=0 控制 對(duì)于 隱 極式 永 磁同 步 電 機(jī) ， id=0 時(shí)單位電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。 由于不需要?jiǎng)?lì)磁電流，電機(jī)從端口 看相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。定 子三相電流的空間合成磁勢與永 磁體磁場空間矢量正交，所有電流 都用來產(chǎn)生電磁力矩。對(duì)于凸極永 磁同步電機(jī)來說，此時(shí)沒有可調(diào)節(jié) 的磁阻轉(zhuǎn)矩，對(duì)擴(kuò)大電機(jī)高速弱磁 的穩(wěn)定運(yùn)行范圍有一定的影響。 2） 轉(zhuǎn) 矩電流比 最 大 控 制 （MTPA） 對(duì)隱極式永磁同步電機(jī)而言 轉(zhuǎn)矩電流比最大控制等效于 id 等 于零的控制。但是對(duì)于凸極永磁同 步電機(jī)來說，由于交直軸電感的值 不同電機(jī)存在磁阻轉(zhuǎn)矩，為了追求 用最小的電流幅值得到最大的輸 出轉(zhuǎn)矩，可以推導(dǎo)得到 id 和 iq 隨 輸出轉(zhuǎn)矩值變化的函數(shù)曲線，以此 為參考來控制電機(jī)運(yùn)行。由于其在 同樣大小輸出轉(zhuǎn)矩的情況下最小 化了定子電流，使得電機(jī)在定子繞 組上的銅耗有了進(jìn)一步的降低，有 利于提高電機(jī)的運(yùn)行效率。 3）功率因數(shù)等于 1 的控制 即控制交、直軸的電流保持電 機(jī)的功率因數(shù)恒定為 1。此時(shí)電機(jī) 定子電流較小，銅耗也較小，逆變 器的容量能夠得到充分利用。但是 與轉(zhuǎn)矩電流比最大控制相比該法 在同等電流條件下輸出轉(zhuǎn)矩較小， 電機(jī)能夠輸出的電磁轉(zhuǎn)矩最大值 也偏小。 4）恒磁鏈控制 恒磁鏈控制就是控制電機(jī)定 子電流，使電機(jī)定子磁鏈保持恒定 的值，此種方法在定子磁鏈?zhǔn)芸氐?同時(shí)能夠獲得比較高的功率因數(shù)， 能在一定程度上提高電機(jī)的最大 輸出轉(zhuǎn)矩，比起功率因數(shù)等于 1 的 控制方式其最大輸出轉(zhuǎn)矩要大，具 體的輸出能力視電機(jī)實(shí)際參數(shù)而 定。 對(duì)于大容量交流調(diào)速系統(tǒng)，比 較適合使用的是功率因數(shù)為 1 和 恒定磁鏈的控制方法，這兩種控制 方法都可以獲得比較高的功率因 數(shù)。而對(duì)于交流電機(jī)伺服系統(tǒng)來 說，裝置的過載能力及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性 能方面要求較高。整套裝置功率不 大時(shí)功率因數(shù)不是首要問題，此時(shí) 比較適合使用 id=0 及轉(zhuǎn)矩電流比 最大的電流控制方法。 （3）直接轉(zhuǎn)矩控制 理論上矢量控制能夠得到與 直流電機(jī)類似的調(diào)速性能，但是在 對(duì)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究過程 中發(fā)現(xiàn)，矢量控制的實(shí)際性能受電 機(jī)參數(shù)影響比較大，導(dǎo)致磁鏈計(jì)算 的偏差和坐標(biāo)定位不準(zhǔn)等問題。于 是德國學(xué)者 Depenbrock 等人又提 出了直接轉(zhuǎn)矩控制的策略，它是一 種高性能的交流電機(jī)控制方法，直 接在定子坐標(biāo)系下分析定子磁鏈 和電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況，根據(jù)逆變 器輸出的 6 個(gè)非零電壓矢量以及 2 個(gè)零電壓矢量的不同作用效果，采 用查表的方式取合適的電壓來控 制電機(jī)。直接轉(zhuǎn)矩控制使用離散的 Bang-Bang 控制的方法控制定子磁 鏈的旋轉(zhuǎn)，可以迅速的改變電機(jī)功 角，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制的快速響應(yīng)。與 矢量控制相比直接轉(zhuǎn)矩控制有著 更為直觀明確的物理概念。它無需 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，具有控制方式簡 單，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，對(duì)系統(tǒng)參數(shù) 攝動(dòng)、外干擾、測量誤差及噪聲魯 棒性強(qiáng)，在交流調(diào)速領(lǐng)域有著廣泛 的應(yīng)用。 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制每個(gè)控 制周期逆變器開關(guān)狀態(tài)只更新一 次，與矢量控制相比具有較大的磁 鏈和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。為了減小轉(zhuǎn)矩的脈 動(dòng)國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究， 提出了許多有效的方法。如有文獻(xiàn) 提出用矢量細(xì)分的方法，通過增加 矢量的個(gè)數(shù)來減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。多電 平逆變器提供了更多可能的空間 電壓矢量供控制選擇，通過細(xì)化零 矢量的作用，一定程度上降低了磁 鏈和轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，但是這需要更多 的功率開關(guān)器件以及更高的開關(guān) 頻率，增加系統(tǒng)的硬件成本。同時(shí) 矢量個(gè)數(shù)越多、矢量表越細(xì)分，直 接轉(zhuǎn)矩控制方法就越復(fù)雜。由于直 接轉(zhuǎn)矩控制是根據(jù)滯環(huán)比較結(jié)果 選擇電壓矢量，本質(zhì)上必然會(huì)引入 控制誤差，其他方法如離散空間矢 量調(diào)制方法也存在類似的問題。 有學(xué)者把空間矢量調(diào)制技術(shù) 和直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合應(yīng)用于永磁 同步電機(jī)控制中，提供了更多電壓 矢量選擇的可能性。從某種意義上 來說這類方法更接近于矢量控制 的原理，控制中增加了轉(zhuǎn)矩環(huán) PI 控 制器來調(diào)節(jié)定子磁鏈角度的變化， 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)受 PI 控制器參數(shù)影響較 大。如果控制參數(shù) 設(shè)置不恰當(dāng)會(huì)造成 轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)超調(diào)問 題，損失了直接轉(zhuǎn) 矩控制快速響應(yīng)的 優(yōu)點(diǎn)。
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