永磁同步电机控制技术综述

永磁同步电机控制技术综述

白超

(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东广州510700)

摘要：随着科学技术的发展，电力电子技术也得到了空前的发展，同时带动了电机控制技术多样性。以下针对永磁同步电机，对其控制方法进综述性介绍，主要涉及应用范围最广的矢量控制，以及另一高效的变频控制技术一直接转矩控制。关键词:永磁同步电机;矢量控制；直接转矩控制

中图分类号：TM341文献标识码:A文章编号：1673-1131(2019)05-0285-02

电机做为将机械能转换为电能的能量转换设备，其在生产和生活中发挥越来越重要的地位。电机按照其供电方式可分为直流电机和交流电机，由于换向器和电刷的存在使得直流电机在控制中无法实现高速调速。然而交流电机在控制中不需要换向器电刷，相比于直流电机，交流电机以其体积小、质量轻等优点被广泛使用。相应的电力电子技术在交流电机的控制中也得到了迅速的发展，本文针对交流电机中常用的永磁同步电机的控制技术进行介绍。

1电机控制技术

20世纪70年代德国学者提出矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。：1985年，德国的教授提出了直接转矩控制方法。近年来，矢量控制和直接转矩控制技术不断发展，且有各自不同的应用领域。随着现代控制理论和电子技术的发展，各种控制方法不断出现。

1.1磁场定向矢量控制技术

矢量控制是由德国学者EBlaschke提出的控制理论，又可称为磁场定向矢量控制(Field Oriented Control,FOC),控制的基本原理是通过坐标变换将定子电流解耦为相互正交的励磁电流分量(Id)和转矩电流分量(Iq),通过单独控制Id和Iq来实现电磁转矩和磁场的解耦。在矢量控制方法中，转子磁链难以准确的观测得到，同时对电机参数的准确性也要求较高，进而需要增加额外的检测设备，如位置传感器，因而造成系统的结构更加复杂，使得系统成本增加，并且在矢量控制的变换过程复杂的情况下，导致系统的控制精度和响应速度无法保证。进而在永磁同步电机的矢量控制中，通过控制要求的不同而采用不同的控制方式。具体的，根据电流给定方式的不同，控制方法主要分为：Id=0控制、最大转矩电流比控制、弱磁控制。

Id=0控制:顾名思义在控制过程中使得Id=0,同时通过对Iq 的调节来实现对电机转矩的控制。根据电机的电磁转矩方程：33

T.=[

7；=1.5“”吹，(2)其中，永磁体磁链％为常数，那么仅通过控制iq,就可以完成对电机转矩的调节控制。具体为:通过传感器检测方式或者无传感器方式获得电机的实际转速信号和位置信号，通过传感器或者电阻等方式检测电机的电流值,将实际转速信号与给定转速值的差值经过速度控制器后获得Iq的给定值，而Id的给定值为零，将反馈的dq轴电流与得到的dq轴电流给定值经过电流控制器后，即可以得到电机的dq轴电压给定值，再经过矢量变换和SVPWM控制后输出控制信号至逆变器，进而由逆变器输出控制电机的信号。由于其简单的控制系统结构和常规的调节器设计，同时在转矩方面得到了较好的控制,使得转矩脉动小，进而其适用于容量不大的调速系统，以及高性能的控制应用。

最大转矩电流比控制:对于永磁同步电机来说，其结构的不同也对应着不同的控制策略。其分为凹极型和凸极型结构,

对于凹极型结构，由于存在dq轴电感相等的关系，使得输出磁阻转矩为零，同时定子电流和电磁转矩为线性关系,此时相当于Id=0控制。但是对于凸极结构，dq轴电感不相等，则电磁转矩和磁阻转矩都存在，那么控制相应参数可实现最小电流产生最大转矩。在单位电流内实现转矩的最大输出，同时

定子电流和相应损耗也都随之减少，最终实现了系统效率的提高。同时在逆变器的选取上也具有一定的优势，可以通过选择功率较低和供给电压较低的逆变器，在同等转矩控制的情况下可以降低逆变器的成本。由于最大转矩电流比控制的复杂性，在输出转矩增大的同时，功率因数也随之降低，存在功率因数较低的情况。但是在控制过程中由于电流和转矩之间的控制关系，其更适用于容量大以及转速高的场合。

弱磁控制：由于永磁同步电机的反电动势与转速之间的正比例关系,因而在电机转速升髙的同时，永磁同步电机的端电压也会变大，当该端电压升高到逆变器限值电压时,电机转速将不能继续升髙，即逆变器不能再供应更髙的电压来达到提高电机转速的目的。因此，为了继续升高电机的转速，通过采用减小励磁磁场的方式来降低反电势，由于永磁同步电机的转子励磁磁场由永磁体产生的，因而不能够釆用直接的方式来改变励磁磁场，这就要使用控制定子直轴电流的方法，利用直轴电枢反应来减小气隙磁场，从而达到对励磁磁场进行削弱的目的。电机工作于基速以上时，为了保证逆变器承受的电压在极限范围内，需要利用负向升高纵轴的电流降低横轴的电流的手段达到弱磁增速的目的。

”,=a>J(Z儿)2+(Z/d+力尸⑶其中场为永磁体磁链，为常数。显然，从上述公式中可以

看出，在电机端电压升高至逆变器最大承受极限的情况下,US 为限值时,想要获得更大的速度，就必须控制交直流的大小。增大直轴去磁电流分量id和降低交轴电流分量iq以保持电压平衡，从而达到减弱磁场的效果，前者弱磁能力与直轴电感密切相关，后者与交轴电感相关。对于永磁同步电机而言，降低交轴电流分量iq在一定程度上相当于降低电磁转矩；负向增大直轴电流分量id,磁阻转矩就会随之升高，因此，大多数情况下釆取增大id的方法来完成弱磁升速。

1.2直接转矩控制技术

直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)相对于矢量控制，省去了复杂的空间坐标变换，而是直接对转矩进行控制,在控制中以定子磁链定向控制，便可在定子坐标系内实现电动机磁链和转矩的直接观测及控制。具体控制过程为：釆用传感器得到实际馳信号或者无传蹄的方式检测电机的估计

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数据中心UPS电源系统蓄电池组的选型研究

包哲铭

(上海电信工程有限公司，上海200070)

摘要：文章主要讨论了环境温度与安全系数对蓄电池容量计算结果产生的影响，最后提出基于数据中心UPS电源系统蓄电池组容量计算选择与优化方案。

关键词:数据中心;UPS电源系统;蓄电池组;选型优化

中图分类号:TN86文献标识码:A文章编号：1673-1131(2019)05-0286-02

0引言

近几年来我国移动通信技术与互联网技术获得了迅猛发展,人们需求日益增加，我国的信息化战略推进速度也在持续加快。使用数据中心，可以促进通信行业与互联网行业获得进一步发展。数据中心机房主要由服务器、交换机、路由器等IT设备共同组成。这些相关设备通常会釆用220V交流或直流电源作为主要的供电方式，从而加强数据中心设备供电的稳定性。一般来说,机房会配备不间断电源系统，使设备获得源源不断的电源。对于数据中心供电方式来说，通常会使用市电双电源供电系统，同时为其配制质量更高的UPS电池组供电，如果市电发生故障，可以使用UPS电源系统使计算机系统获得正常运行，避免由于断电因素导致的重大损失。由此可以看出，在供电系统中，UPS作为核心设备，可以为数据中心供电系统运行的稳定性与可靠性提供保障。

在UPS系统中，蓄电池组作为核心部分，其性能会对全部系统的运行稳定性、可靠性与安全性产生直接影响。蓄电池组在正常运行过程中，处于浮充备用状态，如果发生事故，会对每个重要的负荷提供应急的电力。与此同时，由于整体系统中材料成本会占据很大比例，也会经常出现故障，因此必须对蓄电池种类进行拓展，提高配套蓄电池的性能，才能使系统整体获得更加稳定的运行。近几年来，UPS系统运行环境与性能指标要求与配套蓄电池选型可行性方面的相关的研究个更加深入，使UPS电源的供电持续性加强,同时节省运行成本。1数据中心UPS电源系统蓄电池组容量在工程中的计算方法

本文在进行计算的过程中，主要遵循的相关标准与规范包括YD/T5040—2005«通信电源设备安装设计规范》切与QB -J-017-2013(中国移动通信电源系统工程设计规范》等,基于近一段时间内的实际符合对蓄电池组的容量进行配置，同时将蓄电池使用期限作为基础,进行适当地长远发展考虑。UPS供电系统在运行过程中，每台UPS中通常都会设置一组蓄电池，如果发生容量不足的情况可以提供并联。与此同时,即使某个UPS接入蓄电池数量为两组，蓄电池为并联状态，但依然可以将该UPS认为与一组蓄电池组互相连接。另外，对于UPS系统对蓄电池组整体容量的配置选择方面，应符合相应规范中对相应设备放电时间的规定，放电的实际功率应充分满足数据中心UPS供电系统的输出功率需求，还应对供电系统的日后发展实际需求进行综合考虑。

设蓄电池组的容量为(A•h),其在标准环境温度基础上,电池在给定时间止点若终止电压，可以为系统提供恒定的电流A与持续放电时间h的乘积。充分明确UPS系统品牌与实际后备时间基础上，可以依据蓄电池的品牌样本数据中表明的恒功率放电数据表，或观察恒流放电曲线的方式,使用功率法与估算法的计算方式，对蓄电池组的型号的容量进行正确选择。数据中心UPS电源系统设计过程中，通常会遵循QB —J-017—2013《中国移动通信电源系统工程设计规范》18中相关内容使用以下两种方式进行计算:第一，理论公式估算计算方法。将规范中的相关需求作为基础，对蓄电池总容量保障后备时间不低于0.5小时进行计算。第二，恒功率计算方法。计算时，应充分明确蓄电池厂商提供的恒功率放电数表、蓄电池额定放电功率表中的相关信息，从而对蓄电池组提供的总功率值进行正确计算。

转速，将给定转速信号与实际转速信号或者估计转速作差之后，通过速度控制器获得给定转矩值，将估计磁链、估计转矩与相应的给定值作差之后，将两差值分别经过滞环控制器之后获得磁链、转矩的控制信号,再结合转子位置以及查找表获得相应的电压空间矢量，最终实现对电机转矩的直接控制。它有着实现方式简单、转矩响应快、动态性能好等优点。

由于直接转矩控制中观测定子磁链时需要考虑电机的定子电阻参数,而在低速运行过程中，定子电阻的改变使得磁通发生变化，进而产生畸变,影响了系统的性能。进而需要结合相应的参数辨识方法来解决上述技术问题，而常用的参数辨识方法有:模糊控制、神经网络控制、遗传算法等等，可通过在线的方式实现电阻参数的辨识和补偿，进而提高控制系统性能。在常规的直接转矩控制存在转矩脉动大、稳态性能差等缺点的情况下，为了提高控制的整体性能，尤其在稳态性能提高上,也提出了其他如改进的开关表控制、优化的定子磁链观测、自适应磁链给定等直接转矩控制策略。2结语

综上所述，不论是矢量控制技术还是直接转矩控制技术都为永磁同步电机控制提供了不同的控制需求，但在现有控制技术的基础上，提高控制精度,缩短控制时间仍然是控制的最终目的。

参考文献：

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