孫何敏

　　[摘 要]當(dāng)前，隨著新材料技術(shù)的飛躍式發(fā)展，稀土永磁材料的應(yīng)用也逐步走向各個(gè)行業(yè)。磁性復(fù)合材料便是一種重要的新型磁材料，我國高能量密度永磁材料的儲(chǔ)量位于世界前列，例如釹、鐵、硼這類永磁材料，在我國有著非常可觀的開采前景，這也使得永磁電機(jī)在工業(yè)活動(dòng)中經(jīng)常被用到。永磁同步電機(jī)也叫做Permanent Magnetic Synchronous Machine，簡稱PMSM，這種電機(jī)是近些年新出現(xiàn)的一種電機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯，主要體現(xiàn)在其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小方面，在工作中效率較高，且由于功率密度大，因此可靠性也能得到有效的保障。這也使得其廣泛應(yīng)用在控制系統(tǒng)中，例如在控制系統(tǒng)的電機(jī)匹配上，很多數(shù)控機(jī)床的電機(jī)都用永磁同步電動(dòng)機(jī)代替直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)。永磁同步電機(jī)的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于沒有激磁繞組，這樣就減少了電機(jī)所占用系統(tǒng)的空間，增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)感，避免過熱，因此節(jié)能優(yōu)勢(shì)非常明顯。首先分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的種類及結(jié)構(gòu)，然后從永磁同步電動(dòng)機(jī)的特征入手，研究了永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制策略，為更好地應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)提供理論基礎(chǔ)。

　　[關(guān)鍵詞]永磁同步電機(jī);種類;控制策略

　　永磁同步電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于電機(jī)的控制方式方法也提出了新的需求。電機(jī)控制方式方法的優(yōu)化是提升智能技術(shù)水平的關(guān)鍵，因此永磁同步電機(jī)的應(yīng)用前景是十分廣泛的，永磁同步電機(jī)的控制方法是多樣的，無論是頻比控制，還是頻率控制和矢量控制，其最終目的是既能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制很多時(shí)候是同步的，這對(duì)于電機(jī)控制方法的要求是非常高的。當(dāng)前，永磁同步電機(jī)在各類控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，同步電機(jī)比起其它電機(jī)來說，是可以達(dá)到對(duì)磁場(chǎng)定向控制效果的，而且轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)也十分突出，因此在實(shí)際應(yīng)用中能夠兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的生產(chǎn)需求。

　　1 永磁同步電機(jī)的種類及結(jié)構(gòu)

　　1.1 種類

　　永磁同步電機(jī)的種類通常是根據(jù)其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)定義的，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的差異決定了永磁同步電機(jī)的種類，當(dāng)前主要的永磁同步電機(jī)種類有凸裝、嵌入以及內(nèi)埋三個(gè)種類。

　　1.2 結(jié)構(gòu)

　　上述三種基本類型是根據(jù)其結(jié)構(gòu)決定的。凸裝式被稱為外裝式的結(jié)構(gòu)，凸裝式結(jié)構(gòu)中，其直軸磁阻和交軸磁阻是完全一致的，這也決定了凸裝式結(jié)構(gòu)下交軸電感和直軸電感的一致性，用公式表達(dá)為Ld=Lq，在性質(zhì)上體現(xiàn)為隱極電機(jī);嵌裝式和內(nèi)埋式這兩種結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為內(nèi)裝式結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)的直軸磁阻與交軸磁阻是不等的，通常直軸大于交軸的磁阻，公式表達(dá)為Ld

　　2 永磁同步電機(jī)特征

　　永磁同步電機(jī)和以往的異步電機(jī)相比具有多個(gè)方面的特征。首先，永磁同步電機(jī)具有高功率的特征，高功率是由其因數(shù)決定的。一般生產(chǎn)商會(huì)使用永磁體來替換傳統(tǒng)的電勵(lì)磁，使用永磁同步電機(jī)便可以減少無功勵(lì)磁電流，這樣就明顯提升了因數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，永磁同步電機(jī)的定、轉(zhuǎn)在轉(zhuǎn)動(dòng)同步的時(shí)候，轉(zhuǎn)心是沒有鐵耗的，因此效率比其它同類電機(jī)的效率是要高的，比不同種類的電機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。這類電機(jī)在25%～120%的額定負(fù)載都可以達(dá)到較高的功率因數(shù)，輕載轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，節(jié)能的效果更好，因此這類方法下永磁同步電機(jī)可以節(jié)省電能消耗。其次，響應(yīng)效率高，尤其是動(dòng)態(tài)響應(yīng)非常迅速。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性能良好。因此相比異步電機(jī)而言、其慣性較小，在電機(jī)轉(zhuǎn)矩中可以快速地響應(yīng)，根本在于其轉(zhuǎn)矩的慣性比較高。永磁同步電機(jī)的體積較小，因此在重量上也有著明顯優(yōu)勢(shì)，輕重量的電機(jī)產(chǎn)品更能夠得到市場(chǎng)的重視，而當(dāng)前隨著高性能永磁材料的推廣，永磁同步電機(jī)的功率密度也有了很大的提升，同容量下，異步電機(jī)的體積和重量更大。這就為永磁同步電機(jī)的廣泛應(yīng)用打下來良好的基礎(chǔ)，由于其體積小、重量輕、穩(wěn)定性良好的優(yōu)勢(shì)決定了永磁同步機(jī)在各個(gè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用中各行業(yè)通常注重電機(jī)的穩(wěn)定性，直流電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修成本高，因此永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單和成本優(yōu)勢(shì)奠定了其應(yīng)用的市場(chǎng)前景。

　　3 永磁同步電機(jī)控制策略研究

　　永磁同步電機(jī)控制的直接原理是頻率控制，也就是通過變頻調(diào)速來控制永磁同步電機(jī)。當(dāng)前普遍應(yīng)用的變頻調(diào)速控制方法包括轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比(v/f)、轉(zhuǎn)差頻率、矢量和直接轉(zhuǎn)矩等不同控制策略。

　　3.1 頻比控制

　　頻比控制通常也被稱之為轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制，在永磁同步電機(jī)等各類控制方法中，轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制方法的應(yīng)用是最為普遍的。其控制的基本原理是變頻調(diào)速控制。轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制是針對(duì)v/f進(jìn)行恒定控制，這樣磁通就能被固定下來，然后再通過轉(zhuǎn)差頻率的控制來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的操作。轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制法的劣勢(shì)在于其載性差，因此壓降定子是必需的，只有經(jīng)過定子壓降才能提升載力，頻比控制是對(duì)氣隙磁通進(jìn)行控制，因此是不具備轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的，這也造成其控制方面的局限性。轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制法操作較為簡易、穩(wěn)定性好，調(diào)速操作簡單，因此在靜態(tài)控制場(chǎng)景比較適用，比如水泵的控制就會(huì)優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制法。

　　3.2 頻率控制

　　頻率控制在應(yīng)用中由于其控制原理也被叫做轉(zhuǎn)差頻率控制，這種控制方法應(yīng)用了轉(zhuǎn)差信號(hào)原理，在使用中，其輸入轉(zhuǎn)差信號(hào)和實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)疊加后形成的就是頻率信號(hào)[1]。因此在電機(jī)轉(zhuǎn)速減低或者增加時(shí)，實(shí)際頻率也會(huì)降低或者增加，上升、下降的同比是這個(gè)控制策略的基本原理。轉(zhuǎn)差頻率控制雖然能夠簡單地控制轉(zhuǎn)矩，但其應(yīng)用原理依舊依賴模型的穩(wěn)定性，因此不適用轉(zhuǎn)矩控制，常在靜態(tài)控制中使用這種策略。

　　3.3 矢量控制

　　矢量控制是永磁同步電機(jī)的重要控制方法。這種控制方法是根據(jù)矢量控制理論演變的，矢量控制理論由西方科學(xué)家首先提出，并經(jīng)過了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，成為電機(jī)控制理論中的核心內(nèi)容。在矢量控制理論中，電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈在旋轉(zhuǎn)空間下的矢量分布，成為磁控的前提，確定這個(gè)前提的情況下，定子電流會(huì)定向分解，實(shí)現(xiàn)了定子的正交，此時(shí)產(chǎn)生的磁鏈同向定子電流勵(lì)磁、磁鏈方向正交定子電流轉(zhuǎn)矩，二者是能量的分解，通過對(duì)同向定子電流勵(lì)磁和定子電流轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)控制[2]。矢量控制的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，市場(chǎng)上控制軟件也比較多，因此廣泛應(yīng)用于電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。坐標(biāo)變換是矢量控制的基本方法，這個(gè)過程是相對(duì)復(fù)雜的，操作人員需要對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行觀測(cè)，且這種方法對(duì)電機(jī)的參數(shù)要求很高，實(shí)際操作中很難完全的解耦，因此控制效果不明顯。選擇用矢量控制法進(jìn)行永磁同步電機(jī)控制的時(shí)候，首先要認(rèn)識(shí)到質(zhì)量控制法最大的優(yōu)勢(shì)在于調(diào)速效果好、可調(diào)速的范圍非常廣，比轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制法和轉(zhuǎn)差頻率控制法下的動(dòng)態(tài)性能更為良好。其次是認(rèn)識(shí)到矢量控制的缺點(diǎn)，即轉(zhuǎn)子磁鏈的定向電機(jī)參數(shù)的變化有著直接的關(guān)系。受到電機(jī)參數(shù)變化影響下會(huì)產(chǎn)生失真問題，這樣就會(huì)直接降低電機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)速能力，針對(duì)這個(gè)問題，最好的解決方案是采用智能化的控制器。智能化PI調(diào)節(jié)器是一種普遍應(yīng)用的產(chǎn)品，很多永磁同步電機(jī)的電流環(huán)、速度環(huán)都會(huì)選擇使用PI控制，在使用PI控制的前期，會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制的仿真測(cè)試。通常來說，PI控制器的參數(shù)會(huì)直接影響控制系統(tǒng)的性能，永磁同步電機(jī)的強(qiáng)耦合性很難用精確的模型來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，PI控制器作為一種典型的線性控制器，魯棒性較差，因此在控制系統(tǒng)中如果直接使用一般的PI控制器很難達(dá)到控制目的，對(duì)于系統(tǒng)性能和控制精度需求高的場(chǎng)景，需要針對(duì)PI控制器的算法進(jìn)行變化，以達(dá)到更加優(yōu)良的控制性能。通常使用分段PI速度調(diào)節(jié)法能有效地增強(qiáng)PI控制器的適應(yīng)性，這個(gè)過程中要對(duì)誤差量的大小進(jìn)行分段，確定好參數(shù)Kp和Ki。在前期，加大調(diào)節(jié)的參數(shù)，誤差減小的情況下，可以適當(dāng)?shù)脑黾臃e分系數(shù)，這樣控制器就能更好的針對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速及控制。

　　4 結(jié)語

　　本文所提到的三種方法，都有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，如何減少控制方法的劣勢(shì)，增加控制方法的優(yōu)勢(shì)，是擺在產(chǎn)品設(shè)計(jì)者面前的重要難題，本文重點(diǎn)介紹了矢量控制中對(duì)于PI控制器的應(yīng)用，雖然PI控制器這類線性控制器與永磁同步電機(jī)的強(qiáng)耦合性沖突，但可以通過改進(jìn)PI控制軟件的算法實(shí)現(xiàn)二者的兼容，為更好的實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的控制提供有效策略。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 陳芬，王敏.基于滑模變結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究綜述[J].電氣自動(dòng)化，2019，41(2)：1-3，7.

　　[3] 董新偉，王一飛，楊磊.車用高性能永磁同步電機(jī)磁極設(shè)計(jì)綜述[J].微電機(jī)，2019，52(11)：97-100.

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