高性能交流永磁同步電機伺服系統現狀

1　　.概述

　　在中小容量高精度傳動(dòng)領(lǐng)域，廣泛采用永磁式同步電機，可用在轉子上加永磁體的方法來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。由于永磁材料的固有特性，它經(jīng)過(guò)預先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周?chē)臻g建立磁場(chǎng)。這既可簡(jiǎn)化電機結構，又可節約能量。

　　由于永磁同步電機閉環(huán)控制當中需要電機轉子位置，因此需要在電機軸上安裝機械位置傳感器。由于機械傳感器的存在，增加了系統復雜程度和成本，降低了系統魯棒性。永磁同步電機的無(wú)速度傳感器控制成為現今研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　2.永磁式同步電機的特點(diǎn)及其分類(lèi)

　　永磁式同步電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機相比，它沒(méi)有直流電機的換向器和電刷等缺點(diǎn)。和異步電動(dòng)機相比，它由于不需要無(wú)功勵磁電流，因而效率高，功率因數高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子參數可測、控制性能好；但它與異步電機相比，也有成本高、起動(dòng)困難等缺點(diǎn)。和普通同步電動(dòng)機相比，它省去了勵磁裝置，簡(jiǎn)化了結構，提高了效率。永磁同步電機矢量控制系統能夠實(shí)現高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調速或定位控制，因此永磁同步電機矢量控制系統引起了國內外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

　　近年來(lái)，隨著(zhù)永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩定性和耐腐蝕性的改善和價(jià)格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，加上永磁電機研究開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，經(jīng)大力推廣和應用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來(lái)越廣泛的應用。正向大功率化（高轉速、高轉矩）、高功能化和微型化方面發(fā)展。目前，稀土永磁電機的單臺容量已超過(guò)1000KW，最高轉速已超過(guò)300000r/min，最低轉速低于0.01r/min，最小電機的外徑只有0.8mm，長(cháng)1.2mm。

　　我國是盛產(chǎn)永磁材料的國家，特別是稀土永磁材料釹鐵硼資源在我國非常豐富，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的4倍左右，號稱(chēng)“稀土王國”。稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平都達到了國際先進(jìn)水平。因此，對我國來(lái)說(shuō)，永磁同步電動(dòng)機有很好的應用前景。充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對實(shí)現我國社會(huì )主義現代化具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

　　永磁同步電動(dòng)機的轉子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉子磁場(chǎng)在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當轉子旋轉時(shí)，在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。這樣就造成兩種同步電動(dòng)機在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區別由它們組成的永磁同步電動(dòng)機交流調速系統，習慣上又把正弦波永磁同步電動(dòng)機組成的調速系統稱(chēng)為正弦型永磁同步電動(dòng)機（PMSM）調速系統；而由梯形波（方波）永磁同步電動(dòng)機組成的調速系統，在原理和控制方法上與直流電動(dòng)機系統類(lèi)似，故稱(chēng)這種系統為無(wú)刷直流電動(dòng)機（BLDCM）調速系統。

　　永磁同步電動(dòng)機轉子磁路結構不同，則電動(dòng)機的運行特性、控制系統等也不同。根據永磁體在轉子上的位置的不同，永磁同步電動(dòng)機主要可分為：表面式和內置式。在表面式永磁同步電動(dòng)機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感相等；而內置式永磁同步電機的永磁體位于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護永磁體。

　　這種永磁電機的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機的性能有所不同。

　　3.PMSM與異步電機及BLDCM矢量控制系統的比較

　　永磁同步電機與無(wú)刷直流電機有許多類(lèi)似之處，轉子上均有永磁磁極，定子電樞需要交變電流以產(chǎn)生恒定轉矩，其主要區別是永磁同步電機的反電勢為正弦波，無(wú)刷直流電動(dòng)機的反電勢為梯形波。為了產(chǎn)生恒定力矩，永磁同步電機需要的定子電流為正弦波對稱(chēng)電流，無(wú)刷直流電機需要的定子電流為方波電流。

　　由于電磁慣性，無(wú)刷直流電機的定子電流實(shí)際上為梯形波，而無(wú)法產(chǎn)生方波電流，并由集中繞組供電，所以無(wú)刷直流電動(dòng)機較永磁同步電機脈動(dòng)力矩大。在高精度伺服驅動(dòng)中，永磁同步電機有較大競爭力。在另一方面，永磁同步電機單位電流產(chǎn)生的力矩較無(wú)刷直流電機單位電流產(chǎn)生的力矩小。在驅動(dòng)同容量的電動(dòng)機時(shí)，永磁同步電機所需逆變器容量大并且需要控制電流為正弦波，開(kāi)關(guān)損耗大很多。

　　無(wú)刷直流電機定子電流為方波，每相開(kāi)通1200電角度，然后關(guān)斷600電角度。每600電角度有一個(gè)開(kāi)關(guān)改變狀態(tài)，所以無(wú)刷直流電機轉子位置檢測器只需要每隔600電角度輸出一個(gè)脈沖。永磁同步電機定子電流為正弦波，定子電流瞬時(shí)值取決于轉子的瞬時(shí)位置，所以必須連續地檢測轉子位置。

　　永磁同步電機的交軸電抗和直軸電抗隨電機磁路飽和等因素而變化，從而影響輸出力矩的磁阻力矩分量。永磁同步電機對參數的變化較無(wú)刷直流機敏感，但當永磁同步電機工作于電流控制方式時(shí)，磁阻轉矩很小，永磁同步電機矢量控制系統對參數變化的敏感性與無(wú)刷直流機基本相同。

　　當電機轉速較高，無(wú)刷直流電機反電勢與直流母線(xiàn)電壓相同時(shí)，反電勢限制了定子電流。而永磁同步電機能夠采用弱磁控制，因此具有較大的調速范圍。

　　4.永磁同步電機國內外研究現狀

　　早期對永磁同步電機的研究主要為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(tài)特性和直接起動(dòng)性能的研究。永磁同步電動(dòng)機的直接起動(dòng)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。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在這方面做了大量的研究工作。

　　上個(gè)世紀八十年代國外開(kāi)始對逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機進(jìn)行深入的研究。逆變器供電的永磁同步電機與直接起動(dòng)的永磁同步電機的結構基本相同，但在大多數情況下無(wú)阻尼繞組。阻尼繞組有以下缺點(diǎn)：第一，阻尼繞組產(chǎn)生熱量，使永磁材料溫度上升；第二，阻尼繞組增大轉動(dòng)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(dòng)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(huì )受到影響，其穩態(tài)特性和 暫態(tài)特性與恒定頻率下的永磁同步電機相比有不同的特點(diǎn)。一九八○年后發(fā)表了大量的論文研究永磁同步電動(dòng)機的數學(xué)模型、穩態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性。A.V.Gumaste等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機穩態(tài)特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機穩態(tài)特性。

　　隨著(zhù)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，G.R.Slemon等人針對調速系統快速動(dòng)態(tài)性能和高效率的要求，提出了現代永磁同步電機的設計方法。

　　隨著(zhù)微型計算機技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機矢量控制系統的全數字控制也取得了很大的發(fā)展。D.Naunin等研制了一種永磁同步電動(dòng)機矢量控制系統，采用了十六位單片機8097作為控制計算機，實(shí)現了高精度、高動(dòng)態(tài)響應的全數字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等發(fā)表了大量關(guān)于永磁同步電動(dòng)機矢量控制系統全數字控制的論文。

　　永磁同步電動(dòng)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(jiǎn)單，性能良好，對被控制對象參數變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。一九九一年，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。國立臺灣大學(xué)劉天華等首次將魯棒控制理論應用于永磁同步電動(dòng)機伺服驅動(dòng)。電機在運行過(guò)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(shù)能夠使控制系統在模型和參數變化時(shí)保持良好的控制性能性能。因此，將各種魯棒控制技術(shù)運用于電機調速領(lǐng)域，可以大大提高調速系統的性能。在這方面，運用的較為成功的控制技術(shù)主要有：自適應控制、變結構控制、參數辨識技術(shù)等。 自適應控制技術(shù)能夠改善控制對象和運行條件發(fā)生變化時(shí)控制系統的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人將自適應控制技術(shù)應用于永磁同步電機調速系統。仿真和實(shí)驗結果表明，自適應控制技術(shù)能夠使調速系統在電機參數發(fā)生變化時(shí)保持良好的性能?；Ｗ兘Y構控制由于其特殊的“切換”控制方式與電機調速系統中逆變器的“開(kāi)關(guān)”模式相似，并且具有良好的魯棒控制特性，因此，在電機控制領(lǐng)域有廣闊的應用前景。

　　通過(guò)對電機參數變化進(jìn)行在線(xiàn)辨識，并運用辨識的參數對調速系統進(jìn)行控制，也能夠提高控制系統的魯棒性。隨著(zhù)人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能控制已成為現代控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，電氣傳動(dòng)控制系統中運用智能控制技術(shù)也已成為目前電氣傳動(dòng)控制的主要發(fā)展方向，并且將帶來(lái)電氣傳動(dòng)技術(shù)的新紀元。目前，實(shí)現智能控制的有效途徑有三條：基于人工智能的專(zhuān)家系統（ExpertSystem）;基于模糊集合理論（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )（ArtificialNeuralNetwork）的神經(jīng)控制。B.K.Bose等人從八十年代后期一直致力于人工智能技術(shù)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的應用，并取得了可喜的研究成果。

　　5.永磁同步電機無(wú)速度傳感器控制系統

　　在永磁同步電機控制當中，需要檢測轉子的位置和速度。需要在轉子軸上安裝機械式傳感器，測量電機的速度和位置（見(jiàn)圖1）。這些機械傳感器經(jīng)常是編碼器（Encoder）、解算器（Resolver）和測速發(fā)電機（Tachometer）。機械傳感器提供了電機控制所需的轉子信號，但也給調速系統帶來(lái)了一些問(wèn)題：

　　1）機械傳感器增加了電機轉子軸上的轉動(dòng)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(xiàn)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、濕度和振動(dòng)的限制，調速系統不能廣泛適應各種場(chǎng)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(jià)格甚至可與電機本身價(jià)格相比。

　　為了克服使用機械傳感器給調速系統帶來(lái)的缺陷，許多學(xué)者開(kāi)展了無(wú)機械傳感器交流調速系統的研究。無(wú)機械傳感器交流調速系統是指利用電機繞組中的有關(guān)電信號，通過(guò)適當方法估計出轉子的位置和速度，取代機械傳感器，實(shí)現電機控制。

　　永磁同步電機無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)的關(guān)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(guān)的方法，即利用其特殊的電磁特性，來(lái)構造速度和轉子位置的估計方法，例如：計算定子磁鏈矢量的空間位置來(lái)估計電機的轉子位置、計算定子相電感來(lái)估計轉子位置等。同時(shí)，隨著(zhù)現代控制、辨識技術(shù)的發(fā)展，為我們提供了許多可行的觀(guān)測器構造方法來(lái)估計控制過(guò)程中的狀態(tài)變量或參數。在電機的無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)中主要采用的觀(guān)測器有：全階狀態(tài)觀(guān)測器、自適應觀(guān)測器、變結構觀(guān)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(guān)測器具有動(dòng)態(tài)性能好、穩定性強。參數敏感性小等特點(diǎn)。隨著(zhù)高速數字信號處理器 （DSP）技術(shù)的發(fā)展，使得各種具有優(yōu)良性能的速度觀(guān)測器能夠在無(wú)速度傳感器矢量控制系統中廣泛運用。