改進永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制精度的措施

自20世紀60年代末以來，面向磁場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是對電機氣隙磁場和轉(zhuǎn)矩進行分開控制。對于永磁同步電機，典型的控制設(shè)計就是考慮恒定的磁通會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt，該常數(shù)在大多數(shù)電機的技術(shù)手冊中都能找到。獲得需要的轉(zhuǎn)矩m所對應(yīng)的電流iq也由此計算得到。但是，輸出轉(zhuǎn)矩和相應(yīng)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際因素的負面影響，這樣的影響很容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩控制中所不能接受的精度偏差。一些容易影響的實際因素如下：

●產(chǎn)品出廠過程與材料的老化；

●鐵心材料在過載時飽和；

●磁阻轉(zhuǎn)矩變化；

●電樞（磁性材料）的溫度。

磁材料（磁介質(zhì)）的分散性導(dǎo)致的實際轉(zhuǎn)矩常數(shù)與數(shù)據(jù)手冊上的數(shù)值偏差可能會超過5%。更嚴重的是通過觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一段較長時間，永磁電機的磁場會下降幾個百分點。由于這樣的變化通常十分緩慢，一種電機離線參數(shù)辨識（將在“一種電機模型的預(yù)辨識系統(tǒng)”部分中討論）將解決這一問題。

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


圖1 轉(zhuǎn)矩精度（對比參照）

實驗數(shù)據(jù)是通過圖2所示的測試裝置采集到的。圖中右側(cè)的被測試電機運行在轉(zhuǎn)矩控制模式下，而左側(cè)的負載電機運行在速度控制模式下。兩個電機通過一個轉(zhuǎn)矩測量軸耦合。


圖2 轉(zhuǎn)矩測量裝置



實際的兩臺電機在設(shè)置點mset＝0nm處的相對轉(zhuǎn)矩要從被測試電機上的所測的轉(zhuǎn)矩曲線中減去。因為這一轉(zhuǎn)矩在后來的研究中被當(dāng)作是對運行中的摩擦轉(zhuǎn)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系統(tǒng)中的，但以上的假設(shè)（相對轉(zhuǎn)矩補償摩擦）是實際自動辨識系統(tǒng)的執(zhí)行原則，是正確的。

很明顯，圖1所示的轉(zhuǎn)矩精度是與速度無關(guān)的。電機停轉(zhuǎn)時的特性出現(xiàn)偏差，因為轉(zhuǎn)矩的脈動影響到凸極電機的轉(zhuǎn)角。在2000r/min的轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩精度偏差在2.3mn處發(fā)生了轉(zhuǎn)向，這是由于電機此時開始顯示去磁特性并且沒有考慮磁阻轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)出現(xiàn)去磁效應(yīng)時，磁場產(chǎn)生的電流id將不能被忽略。這時的關(guān)鍵是考慮電機磁阻轉(zhuǎn)矩的影響，從而獲得一個準確的實際轉(zhuǎn)矩值mact，如公式（1）中所示。但是，通常來說，磁阻轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt,rel在電機的數(shù)據(jù)手冊中不提供，因而必須通過參數(shù)辨識的方式獲得。如果電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)為零，高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩就會出現(xiàn)大的偏差，如圖3所示。

mact＝ktiq－kt,reliqid （1）


圖3 在弱磁范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩精度

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

當(dāng)遇到電機電樞溫度變化較大時，只有在線自適應(yīng)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(yù)辨識系統(tǒng)

獲取電機的定子電阻與電感參數(shù)是電機模型辨識的第一步，因為這是進一步識別電機參數(shù)的前提條件。這兩個參數(shù)可以通過靜態(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(zhuǎn)矩常數(shù)kt的測量就只能在電機加速時進行了，因為這套辨識系統(tǒng)是基于輸送到電機上的實測有功功率和軸輸出功率工作的。所以，要測得轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt，需要先測得有功功率。有功功率需要電機以額定轉(zhuǎn)矩電流從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速，并且在一個產(chǎn)生足夠大電動勢的速度下才可測得。求得電阻損耗以及實際轉(zhuǎn)速nact和實際轉(zhuǎn)矩mact才能確定轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt。

對于在d軸和q軸電感不同的電機，確定磁阻轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt,rel就相當(dāng)重要了。

在電機參數(shù)辨識之后，電機將按附表參數(shù)下運行：

圖4顯示在電機參數(shù)辨識之后的轉(zhuǎn)矩精度，從圖中可以看到，在額定轉(zhuǎn)矩的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩偏差已經(jīng)縮小到2%以內(nèi)。


圖4 電機參數(shù)辨識后的轉(zhuǎn)矩精度