西林叉车之——永磁同步电机的驱动控制技术（
作者：西林叉车 时间：【 2019-12-15】 文章来源：
西林叉车之——永磁同步电机的驱动控制技术（3）
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4、永磁同步电机控制 技术 在永磁同步电机开始广泛应 用时，电力电子器件、数字信号处 理元件等都己经有相当的发展，不 断有新的产品面试，再加上交流调 速技术在尤其是异步电机上的广 泛应用，这些都给了永磁同步电机 调速研究一个很好的发展基础。常 见的永磁同步电机的调速技术有 恒压频比控制、基于磁场定向的矢 量 控 制 以 及 直 接 转 矩控制等。在高性能 转 速 和 位 置 控 制 领 域，矢量控制应用最 广泛，电动汽车的应 用也包括在内。（1）恒压频比控制 给电机施加上一个三相对称 的交流电，此时电机的运行速度与 电源的频率成正比，因此可以通过 调节电源频率来改变电机转速，即 恒压频比控制（VVVF）。由电机学 原理可以知道，电源电压与频率的 之比正比于电机磁通，因此保持该 比值恒定，电机就能保持比较稳定 的运行。 VVVF 控制不需要速度、位置、 电压或电流等反馈信号，控制方法 简单，控制成本低。它是一种开环 的控制方法，由于其只简单控制了 电压的幅值和频率，电机的工作电 流不受控，无法实现精确控制电磁 转矩的目的，因而系统的动态性能 差且转速控制不够精确，只适用于 那些对调速性能要求不高的场合， 如压缩机、风机、水泵等等。 （2）矢量控制 1971 年，德国西门子公司的 F. Blaschke 等人提出了磁场定向控制 即矢量控制的策略，标志着交流调 速理论取得了突破性的进展。矢量 控制最早应用在异步电机的变频 控制中，其基本思想源于对直流电 机控制系统的模拟。考虑到异步电 机是一个多变量、强耦合、非线性 的时变参数系统，很难直接通过外 加信号准确控制电磁转矩，如果以 磁场矢量的方向为参考建立以旋 转坐标系，在此坐标系下去研究电 机的各电气量的特性可以发现，通 过矢量坐标变换的方法可以把定 子电流中的励磁分量与转矩分量 区分开来，由此可以实现对电机磁 通与转矩的解耦控制，这就使得交 流电机调速十分接近于直流电机 的控制方式，因而能够获得比较优 异的控制性能。该控制系统从理论 上解决了非线性、强耦合的交流电 机高性能控制问题，使得交流伺服 系统日渐取代直流伺服系统成为 主流驱动系统。随着永磁电机的广 泛应用，人们对永磁电机的矢量控 制进行了大量的研究工作。矢量控 制在永磁电机中比异步电机中更 容易实现，这是因为永磁电机没有 转差频率电流，于是参数的敏感性 问题就不太严重。 对永磁同步电机的控制要求 可归纳为响应快、精度高、脉动小 等等，控制的关键因素是实现电机 转矩的实时高性能控制。矢量控制 对电机输出转矩的控制可以归结 为对电机交、直轴电流的控制。理 论分析可以知道，对于某一特定的 负载转矩，可以通过调整不同大小 的交、直轴电流组合来实现，这些 组合在电机的运行效率、功率因 数、稳定运行域等各方面都各不相 同。常见的电流控制策略主要分以 下几种：1）id=0 控制；2）转矩电流 比最大控制；3）功率因数等于 1 的 控制；4）恒磁链控制。 1）id=0 控制 对于 隐 极式 永 磁同 步 电 机 ， id=0 时单位电流产生的转矩最大。 由于不需要励磁电流，电机从端口 看相当于一台他励直流电动机。定 子三相电流的空间合成磁势与永 磁体磁场空间矢量正交，所有电流 都用来产生电磁力矩。对于凸极永 磁同步电机来说，此时没有可调节 的磁阻转矩，对扩大电机高速弱磁 的稳定运行范围有一定的影响。 2） 转 矩电流比 最 大 控 制 （MTPA） 对隐极式永磁同步电机而言 转矩电流比最大控制等效于 id 等 于零的控制。但是对于凸极永磁同 步电机来说，由于交直轴电感的值 不同电机存在磁阻转矩，为了追求 用最小的电流幅值得到最大的输 出转矩，可以推导得到 id 和 iq 随 输出转矩值变化的函数曲线，以此 为参考来控制电机运行。由于其在 同样大小输出转矩的情况下最小 化了定子电流，使得电机在定子绕 组上的铜耗有了进一步的降低，有 利于提高电机的运行效率。 3）功率因数等于 1 的控制 即控制交、直轴的电流保持电 机的功率因数恒定为 1。此时电机 定子电流较小，铜耗也较小，逆变 器的容量能够得到充分利用。但是 与转矩电流比最大控制相比该法 在同等电流条件下输出转矩较小， 电机能够输出的电磁转矩最大值 也偏小。 4）恒磁链控制 恒磁链控制就是控制电机定 子电流，使电机定子磁链保持恒定 的值，此种方法在定子磁链受控的 同时能够获得比较高的功率因数， 能在一定程度上提高电机的最大 输出转矩，比起功率因数等于 1 的 控制方式其最大输出转矩要大，具 体的输出能力视电机实际参数而 定。 对于大容量交流调速系统，比 较适合使用的是功率因数为 1 和 恒定磁链的控制方法，这两种控制 方法都可以获得比较高的功率因 数。而对于交流电机伺服系统来 说，装置的过载能力及转矩响应性 能方面要求较高。整套装置功率不 大时功率因数不是首要问题，此时 比较适合使用 id=0 及转矩电流比 最大的电流控制方法。 （3）直接转矩控制 理论上矢量控制能够得到与 直流电机类似的调速性能，但是在 对异步电机调速系统的研究过程 中发现，矢量控制的实际性能受电 机参数影响比较大，导致磁链计算 的偏差和坐标定位不准等问题。于 是德国学者 Depenbrock 等人又提 出了直接转矩控制的策略，它是一 种高性能的交流电机控制方法，直 接在定子坐标系下分析定子磁链 和电磁转矩的变化情况，根据逆变 器输出的 6 个非零电压矢量以及 2 个零电压矢量的不同作用效果，采 用查表的方式取合适的电压来控 制电机。直接转矩控制使用离散的 Bang-Bang 控制的方法控制定子磁 链的旋转，可以迅速的改变电机功 角，实现转矩控制的快速响应。与 矢量控制相比直接转矩控制有着 更为直观明确的物理概念。它无需 旋转坐标变换，具有控制方式简 单，转矩动态响应快，对系统参数 摄动、外干扰、测量误差及噪声鲁 棒性强，在交流调速领域有着广泛 的应用。 传统的直接转矩控制每个控 制周期逆变器开关状态只更新一 次，与矢量控制相比具有较大的磁 链和转矩波动。为了减小转矩的脉 动国内外学者进行了广泛的研究， 提出了许多有效的方法。如有文献 提出用矢量细分的方法，通过增加 矢量的个数来减小转矩脉动。多电 平逆变器提供了更多可能的空间 电压矢量供控制选择，通过细化零 矢量的作用，一定程度上降低了磁 链和转矩的波动，但是这需要更多 的功率开关器件以及更高的开关 频率，增加系统的硬件成本。同时 矢量个数越多、矢量表越细分，直 接转矩控制方法就越复杂。由于直 接转矩控制是根据滞环比较结果 选择电压矢量，本质上必然会引入 控制误差，其他方法如离散空间矢 量调制方法也存在类似的问题。 有学者把空间矢量调制技术 和直接转矩控制结合应用于永磁 同步电机控制中，提供了更多电压 矢量选择的可能性。从某种意义上 来说这类方法更接近于矢量控制 的原理，控制中增加了转矩环 PI 控 制器来调节定子磁链角度的变化， 转矩响应受 PI 控制器参数影响较 大。如果控制参数 设置不恰当会造成 转矩的动态超调问 题，损失了直接转 矩控制快速响应的 优点。
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