高性能交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)現(xiàn)狀

1概述

　　在中小容量高精度傳動領(lǐng)域，廣泛采用永磁式同步電機，可用在轉(zhuǎn)子上加永磁體的方法來產(chǎn)生磁場。由于永磁材料的固有特性，它經(jīng)過預(yù)先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場。這既可簡化電機結(jié)構(gòu)，又可節(jié)約能量。

　　由于永磁同步電機閉環(huán)控制當中需要電機轉(zhuǎn)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(tǒng)復(fù)雜程度和成本，降低了系統(tǒng)魯棒性。永磁同步電機的無速度傳感器控制成為現(xiàn)今研究的一個熱點問題。

　　2永磁式同步電機的特點及其分類

　　永磁式同步電動機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和異步電動機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好；但它與異步電機相比，也有成本高、起動困難等缺點。和普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

　　近年來，隨著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(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發(fā)展，加上永磁電機研究開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，經(jīng)大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用。正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)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1000KW，最高轉(zhuǎn)速已超過300000r/min，最低轉(zhuǎn)速低于0.01r/min，最小電機的外徑只有0.8mm，長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“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水平。因此，對我國來說，永磁同步電動機有很好的應(yīng)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(yīng)用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對實現(xiàn)我國社會主義現(xiàn)代化具有重要的理論意義和實用價值。

　　永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子上產(chǎn)生的反電動勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。這樣就造成兩種同步電動機在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動機交流調(diào)速系統(tǒng)，習(xí)慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機（PMSM）調(diào)速系統(tǒng)；而由梯形波（方波）永磁同步電動機組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動機系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動機（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)。

　　永磁同步電動機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動機的運行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動機主要可分為：表面式和內(nèi)置式。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電機的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)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。

　　3PMSM與異步電機及BLDCM矢量控制系統(tǒng)的比較

　　永磁同步電機與無刷直流電機有許多類似之處，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，其主要區(qū)別是永磁同步電機的反電勢為正弦波，無刷直流電動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電流，無刷直流電機需要的定子電流為方波電流。

　　由于電磁慣性，無刷直流電機的定子電流實際上為梯形波，而無法產(chǎn)生方波電流，并由集中繞組供電，所以無刷直流電動機較永磁同步電機脈動力矩大。在高精度伺服驅(qū)動中，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)生的力矩較無刷直流電機單位電流產(chǎn)生的力矩小。在驅(qū)動同容量的電動機時，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，開關(guān)損耗大很多。

　　無刷直流電機定子電流為方波，每相開通1200電角度，然后關(guān)斷600電角度。每600電角度有一個開關(guān)改變狀態(tài)，所以無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置檢測器只需要每隔600電角度輸出一個脈沖。永磁同步電機定子電流為正弦波，定子電流瞬時值取決于轉(zhuǎn)子的瞬時位置，所以必須連續(xù)地檢測轉(zhuǎn)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(shù)的變化較無刷直流機敏感，但當永磁同步電機工作于電流控制方式時，磁阻轉(zhuǎn)矩很小，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)對參數(shù)變化的敏感性與無刷直流機基本相同。

　　當電機轉(zhuǎn)速較高，無刷直流電機反電勢與直流母線電壓相同時，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(diào)速范圍。

　　4永磁同步電機國內(nèi)外研究現(xiàn)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(wěn)態(tài)特性和直接起動性能的研究。永磁同步電動機的直接起動是依靠阻尼繞組提供的異步轉(zhuǎn)矩將電機加速到接近同步轉(zhuǎn)速，然后由磁阻轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)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。

　　上個世紀八十年代國外開始對逆變器供電的永磁同步電動機進行深入的研究。逆變器供電的永磁同步電機與直接起動的永磁同步電機的結(jié)構(gòu)基本相同，但在大多數(shù)情況下無阻尼繞組。阻尼繞組有以下缺點：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(zhuǎn)動慣量、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受到影響，其穩(wěn)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。一九八○年后發(fā)表了大量的論文研究永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)特性、動態(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機穩(wěn)態(tài)特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)特性。

　　隨著對永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)性能要求的不斷提高，需要設(shè)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(diào)速系統(tǒng)快速動態(tài)性能和高效率的要求，提出了現(xiàn)代永磁同步電機的設(shè)計方法。

　　隨著微型計算機技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的全數(shù)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機矢量控制系統(tǒng)，采用了十六位單片機8097作為控制計算機，實現(xiàn)了高精度、高動態(tài)響應(yīng)的全數(shù)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)于永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)全數(shù)字控制的論文。

　　永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制器大多采用比例積分（PI）控制。PI控制器具有結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，對被控制對象參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點。一九九一年，R.B.Sepe首次在轉(zhuǎn)速控制器中采用自校正控制。早期自適應(yīng)控制主要應(yīng)用于直流電機調(diào)速系統(tǒng)。國立臺灣大學(xué)劉天華等首次將魯棒控制理論應(yīng)用于永磁同步電動機伺服驅(qū)動。電機在運行過程中，模型和參數(shù)是不斷變化的，參數(shù)和模型的變化將引起控制系統(tǒng)性能的降低。現(xiàn)代控制理論中的各種魯棒控制技術(shù)能夠使控制系統(tǒng)在模型和參數(shù)變化時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(diào)速領(lǐng)域，可以大大提高調(diào)速系統(tǒng)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(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識技術(shù)等。

　　自適應(yīng)控制技術(shù)能夠改善控制對象和運行條件發(fā)生變化時控制系統(tǒng)的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)。仿真和實驗結(jié)果表明，自適應(yīng)控制技術(shù)能夠使調(diào)速系統(tǒng)在電機參數(shù)發(fā)生變化時保持良好的性能?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制由于其特殊的“切換”控制方式與電機調(diào)速系統(tǒng)中逆變器的“開關(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(yīng)用前景。

　　通過對電機參數(shù)變化進行在線辨識，并運用辨識的參數(shù)對調(diào)速系統(tǒng)進行控制，也能夠提高控制系統(tǒng)的魯棒性。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能控制已成為現(xiàn)代控制領(lǐng)域中的一個重要分支，電氣傳動控制系統(tǒng)中運用智能控制技術(shù)也已成為目前電氣傳動控制的主要發(fā)展方向，并且將帶來電氣傳動技術(shù)的新紀元。目前，實現(xiàn)智能控制的有效途徑有三條：基于人工智能的專家系統(tǒng)（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)在電氣傳動領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了可喜的研究成果。

　　5永磁同步電機無速度傳感器控制系統(tǒng)

　　在永磁同步電機控制當中，需要檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度。需要在轉(zhuǎn)子軸上安裝機械式傳感器，測量電機的速度和位置（見圖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(zhuǎn)子信號，但也給調(diào)速系統(tǒng)帶來了一些問題：

　　1）機械傳感器增加了電機轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)動慣量，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(tǒng)之間的連接線和接口電路，使系統(tǒng)易受干擾，降低了可靠性。

　　3）受機械傳感器使用條件如溫度、濕度和振動的限制，調(diào)速系統(tǒng)不能廣泛適應(yīng)各種場合。

4）機械傳感器及其輔助電路增加了調(diào)速系統(tǒng)的成本，某些高精度傳感器的價格甚至可與電機本身價格相比。

　　為了克服使用機械傳感器給調(diào)速系統(tǒng)帶來的缺陷，許多學(xué)者開展了無機械傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)的研究。無機械傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)是指利用電機繞組中的有關(guān)電信號，通過適當方法估計出轉(zhuǎn)子的位置和速度，取代機械傳感器，實現(xiàn)電機控制。

　　永磁同步電機無速度傳感器矢量控制技術(shù)的關(guān)鍵在于如何根據(jù)測量的電機電流和電壓信號，估計電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。對于永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)可以采用一些直觀的方法，即利用其特殊的電磁特性，來構(gòu)造速度和轉(zhuǎn)子位置的估計方法，例如：計算定子磁鏈矢量的空間位置來估計電機的轉(zhuǎn)子位置、計算定子相電感來估計轉(zhuǎn)子位置等。同時，隨著現(xiàn)代控制、辨識技術(shù)的發(fā)展，為我們提供了許多可行的觀測器構(gòu)造方法來估計控制過程中的狀態(tài)變量或參數(shù)。在電機的無速度傳感器矢量控制技術(shù)中主要采用的觀測器有：全階狀態(tài)觀測器、自適應(yīng)觀測器、變結(jié)構(gòu)觀測器、卡爾曼濾波器等，采用這些方法構(gòu)造的電機轉(zhuǎn)子位置和速度觀測器具有動態(tài)性能好、穩(wěn)定性強。參數(shù)敏感性小等特點。隨著高速數(shù)字信號處理器 （DSP）技術(shù)的發(fā)展，使得各種具有優(yōu)良性能的速度觀測器能夠在無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中廣泛運用。