改進(jìn)永磁同步電機轉矩控制精度的措施

自20世紀60年代末以來(lái)，面向磁場(chǎng)的矢量控制一直是交流電機控制的主流。這樣的控制方法的主要特點(diǎn)是對電機氣隙磁場(chǎng)和轉矩進(jìn)行分開(kāi)控制。對于永磁同步電機，典型的控制設計就是考慮恒定的磁通會(huì )產(chǎn)生一個(gè)轉矩常數kt，該常數在大多數電機的技術(shù)手冊中都能找到。獲得需要的轉矩m所對應的電流iq也由此計算得到。但是，輸出轉矩和相應的電流iq之間的這種恒定關(guān)系的可信度很容易受到各種各樣的實(shí)際因素的負面影響，這樣的影響很容易產(chǎn)生轉矩控制中所不能接受的精度偏差。一些容易影響的實(shí)際因素如下：

●產(chǎn)品出廠(chǎng)過(guò)程與材料的老化；

●鐵心材料在過(guò)載時(shí)飽和；

●磁阻轉矩變化；

●電樞（磁性材料）的溫度。

磁材料（磁介質(zhì)）的分散性導致的實(shí)際轉矩常數與數據手冊上的數值偏差可能會(huì )超過(guò)5%。更嚴重的是通過(guò)觀(guān)察發(fā)現，經(jīng)過(guò)一段較長(cháng)時(shí)間，永磁電機的磁場(chǎng)會(huì )下降幾個(gè)百分點(diǎn)。由于這樣的變化通常十分緩慢，一種電機離線(xiàn)參數辨識（將在“一種電機模型的預辨識系統”部分中討論）將解決這一問(wèn)題。

與此形成鮮明對比的是，在過(guò)載時(shí)，由于鐵心飽和造成的輸出轉矩降低會(huì )在很短時(shí)間內發(fā)生，而且降低量最多時(shí)會(huì )達到20%。圖1所示的即為某額定轉矩mn＝23nm，額定轉速nn＝2000r/min的永磁同步電機運行在不同轉速條件下所測得的轉矩精度。這臺電機未采取任何精度改進(jìn)措施。這次的測量數據將為評價(jià)后面提到的精度改進(jìn)策略提供參考。


圖1 轉矩精度（對比參照）

實(shí)驗數據是通過(guò)圖2所示的測試裝置采集到的。圖中右側的被測試電機運行在轉矩控制模式下，而左側的負載電機運行在速度控制模式下。兩個(gè)電機通過(guò)一個(gè)轉矩測量軸耦合。


圖2 轉矩測量裝置



實(shí)際的兩臺電機在設置點(diǎn)mset＝0nm處的相對轉矩要從被測試電機上的所測的轉矩曲線(xiàn)中減去。因為這一轉矩在后來(lái)的研究中被當作是對運行中的摩擦轉矩所抵消。而且，除了黏性摩擦之外的其他因素也是存在于這個(gè)系統中的，但以上的假設（相對轉矩補償摩擦）是實(shí)際自動(dòng)辨識系統的執行原則，是正確的。

很明顯，圖1所示的轉矩精度是與速度無(wú)關(guān)的。電機停轉時(shí)的特性出現偏差，因為轉矩的脈動(dòng)影響到凸極電機的轉角。在2000r/min的轉速下，轉矩精度偏差在2.3mn處發(fā)生了轉向，這是由于電機此時(shí)開(kāi)始顯示去磁特性并且沒(méi)有考慮磁阻轉矩。

當出現去磁效應時(shí)，磁場(chǎng)產(chǎn)生的電流id將不能被忽略。這時(shí)的關(guān)鍵是考慮電機磁阻轉矩的影響，從而獲得一個(gè)準確的實(shí)際轉矩值mact，如公式（1）中所示。但是，通常來(lái)說(shuō)，磁阻轉矩常數kt,rel在電機的數據手冊中不提供，因而必須通過(guò)參數辨識的方式獲得。如果電磁轉矩常數為零，高轉速下轉矩就會(huì )出現大的偏差，如圖3所示。

mact＝ktiq－kt,reliqid （1）


圖3 在弱磁范圍內的轉矩精度

更重要的是，實(shí)驗表明：對于一些高轉速的主軸電動(dòng)機，公式（1）并不適用。在這種情況下，“多項式離線(xiàn)自適應控制系統”中討論的離線(xiàn)自適應策略將不能用，必須用到在線(xiàn)自適應策略。

當遇到電機電樞溫度變化較大時(shí)，只有在線(xiàn)自適應策略是有效的。使用釹鐵硼nd2fe14b磁性材料的永磁同步電機每100k的溫度變化會(huì )有約4%的磁鏈損失。老式的使用釤鈷smco5磁性材料的永磁同步電機每100k溫度變化的磁鏈損失甚至達到10%。

一種電機模型的預辨識系統

獲取電機的定子電阻與電感參數是電機模型辨識的第一步，因為這是進(jìn)一步識別電機參數的前提條件。這兩個(gè)參數可以通過(guò)靜態(tài)電機測量方法獲得，如例二中使用正弦測試電流。但是，對于轉矩常數kt的測量就只能在電機加速時(shí)進(jìn)行了，因為這套辨識系統是基于輸送到電機上的實(shí)測有功功率和軸輸出功率工作的。所以，要測得轉矩常數kt，需要先測得有功功率。有功功率需要電機以額定轉矩電流從靜止加速到額定轉速，并且在一個(gè)產(chǎn)生足夠大電動(dòng)勢的速度下才可測得。求得電阻損耗以及實(shí)際轉速nact和實(shí)際轉矩mact才能確定轉矩常數kt。

對于在d軸和q軸電感不同的電機，確定磁阻轉矩常數kt,rel就相當重要了。

在電機參數辨識之后，電機將按附表參數下運行：

圖4顯示在電機參數辨識之后的轉矩精度，從圖中可以看到，在額定轉矩的范圍內，轉矩偏差已經(jīng)縮小到2%以?xún)取?br/>

圖4 電機參數辨識后的轉矩精度