永磁同步电机控制系统研究

永磁同步电机控制系统研究

【摘要】由于使用场合的特殊性，电梯驱动用电机应该具有振动小、噪声低、起动电流小、有足够的起动转矩和运行平稳等性能要求。永磁同步电机具有转矩纹波小，转速平稳，动态响应快速准确，过载能力强等优点，不仅能满足以上要求，而且可以显著提高功率因数，降低损耗，提高效率，长期运行，可以起到降本增效的作用。

【关键词】永磁同步电机；电梯驱动；弱磁控制

0.引言

正弦波永磁同步电动机可根据多种矢量控制方法来构成变频调速系统，实现高性能、高精度的传动，在动态响应要求高的场合其应用前景尤其看好。永磁同步电机的矢量控制，也是基于磁场定向的控制策略，由于转子上的永磁体所提供的磁场恒定，加之其结构和参数各异，相应的控制方法也有所不同。这些控制方法主要有：id=0(转子磁链定向)控制、cosφ=1控制、总磁链恒定控制、最大转矩/电流控制、最大输出功率控制、直接转矩控制等。它们各具特点，如cosφ=1控制可以降低与之匹配的变频器容量，恒磁链控制可以增大电动机的最大输出转矩等。而id=0控制最为简单，它的基本思想是通过控制逆变器使三相定子的合成电流(磁动势)超前转子位置90°(电角度)，则电机的电磁转矩只和定子电流幅值成正比，即控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩。本文采用id=0与弱磁控制相结合的控制方式。

1.控制原理

1.1PMSM数学模型

永磁同步电机具有正弦形的反电动势波形，其定子电压、电流也应为正弦波。假设电动机是线形的，参数不随温度等变化，忽略磁滞/涡流损耗，转子无阻尼绕组，那么基于转子坐标系(d-q轴系)中的永磁同步电动机定子磁链方程为：

Ψ=Li+Ψ

Ψ=L·i

式中：Ψ为转子磁钢在定子上的耦合磁链；L、L为永磁同步电动机的直、交轴主电感；i、i为定子电流矢量的直、交轴分量。

PMSM定子电压方程：

u=ri+pΨ-ωΨ

u=ri+pΨ-ωΨ

式中：u,u为定子电压矢量us的d、q轴分量；ω为转子角频率。

PMSM转矩方程：

T=p(Ψi-Ψi)=p[Ψi+(L-L)ii]

从上式可以看出，永磁同步电机的电磁转矩基本上取决于定子交轴电流分量和直轴电流分量，在永磁同步电动机中，由于转子磁链恒定不变，故采用转子磁链定向的方式来控制永磁同步电机。

1.2控制方式

在基频以上恒转矩运行区中，采用转子磁链定向的PMSM矢量图如图2所示。定子电流矢量位于q轴，无d轴分量，即定子电流全部用来产生转矩，此时PMSM的电压方程可以写成：

u=-ωLi

u=ri+Lpi+ωΨ

电磁转矩方程为：

T=pΨi

此种控制方式最为简单，只要能准确地检测出转子空间位置(d轴)，通过控制逆变器使三相定子合成电流幅值位于q轴上，就能很好地控制电磁转矩。在基速以上，永磁同步电机也可以运行在恒功率区，采用定子弱磁的方法。i和Ψ方向相反，起去磁作用。所谓弱磁控制是一种等效的弱磁，在PMSM中并没有磁场绕组，转子磁场是由永磁体产生的，不能直接被减弱，该方法是通过加强电机的直轴电枢反应，削弱气隙磁场，制造一个等效的发电机电势，它的方向与电机反电势的方向相反，平衡一部分由于转速升高造成的反电势升高，使得定子回路中的合成电势不超过电压极限。在额定电流下，恒转矩控制方式所能达到的最高速度ωc由UN确定，ωc是恒转矩控制方式与输入为额定容量恒转矩调速性能的优劣。研究表明，xdxq类的大，因而在其他参数相同的情况下，前者具有更宽的恒转矩调速范围。因此在本系统中选用xd

2.控制系统

控制系统可以分成两部分，虚线框内部分为控制系统的硬件，其余部分为控制系统的软件部分。控制系统的硬件包括逆变器驱动电路、智能功率模块、变频器主回路、三相电流采样电路、过流故障保护电路设计、同步电机位置与速度反馈电路、15kW永磁同步电机、TMS320F240DSP芯片。控制系统的软件包括同

步电机位置、速度反馈信号的处理、三相电流采样信号的处理及坐标系统的变换(包括Park、Clark变换)、速度和电流双闭环的PI调节、逆变器驱动信号的形成。以PI调节为例：从经典控制理论中我们知道，如果要提高系统的动态性能如：调节时间Ts、上升时间等，可以适当地提高比例系数、积分时间常数。若要提高系统的静态性能如：超调量、静态误差等，则可以适当地降低比例系数、积分时间常数。因此在调节PI参数时，系统的动态性能和静态性能是相互矛盾的。基于这种情况，本文提出了分段变参数的PI调节思想，它在应用中有效地缓解了系统的动态性能和静态性能的矛盾。其方法如下：

IF |Nref-Nfed|≥1/2Nref

THENKp=0.6Ki=0.01；

IF 1/10Nref≤|Nref-Nred|<1/2Nref

THENKp=0.6Ki=0.005；

IF 1/10Nref≤|Nref-Nfed|<1/10Nref

THENKp=0.3Ki=0.0003

3.结语与展望

本文介绍了永磁同步电机在电梯驱动系统中的应用。首先给出数学模型，在此基础上分析了控制策略。在实际应用中，采用id=0与弱磁结合的控制方式进行控制。这种控制方式具有良好的动静态特性，满足了系统的要求，在实践中取得良好的效果。从理论分析以及实验数据可以看到，通过选择合适的电机参数与合理的控制方式，系统实现了恒转矩控制和恒功率控制，具有较好的静动态特性，在实际应用中取得成功，为电梯驱动用电机的理论研究和实践作出一定贡献。如何进一步提高控制性能，工作展望如下：(1)逐步提高速度和位置测量的精确性和快速性，这样可以提高有效地提高速度控制的稳态精度。硬件上进一步提高电流和电压信号的抗干扰能力，提高电流信号的测量精度。这对提高电机的低速闭环控制意义很大。(2)用智能或者自适应的PI调节器提高电机控制的动态相应速度。(3)进一步分析永磁同步电机弱磁控制的控制原理和方法，提高弱磁控制在闭环应用中的稳定性。(4)进一步分析研究各种控制策略的优劣，提高电机控制的综合性能。

【参考文献】

［１］张宏杰.混合励磁永磁同步发电机的原理与设计[J].电工电能新技术，2002，21(1)：29~32.

［２］田淳，胡育文.永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究[J].电工技术学报，2002，17(1)：7~11.