16永磁同步电机控制

永磁同步电机控制技术郑鹏飞目录一、PMSM的简单介绍及现状二、PMSM的结构与工作原理三、PMSM的控制策略四、PMSM控制系统的控制算法一、PMSM的简单介绍及现状1.永磁同步电机概念永磁电机采用永磁体生成电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流，效率高结构简单，是很好的节能电机。永磁电机的主要类型有：无刷直流电机（BLDCM），永磁同步电机（PMSM）。前者采用方波电流驱动，后者采用三相正弦波电流驱动。电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场,一般有两种方法实现。一种是在电机绕组内通过电流来产生磁场,例如普通的电励磁直流电机和同步电机。此类电机即需要有专门的绕组和相应的装置,又需要不断供给能量以维持电流流动。另外一种就是由永磁体来产生磁场。由于永磁材料所固有的特性,它经过预先磁化后,不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这种电机即可简化电机结构,又可节约能量。2.发展现状永磁同步电机驱动系统发展离不开电力电子技术、微处理器技术、检测技术和电机控制技术的支撑。电力电子功率器件已经经历四个发展阶段：第一阶段是20世纪五六十年代以晶闸管为代表，主要应用于低频、高频变流领域；第二阶段是20世纪七八十年代以GTO、GTR和功率MOSFET为代表，推动了变流器高频化发展；第三阶段是20世纪后期以IGBT为代表，由于其优越性能使其成为电力电子应用领域的主导功率器件；目前电力电子正处于第四阶段，即以PIC、HVIC等功率集成电路为代表的集成化发展阶段。微处理器发展直接制约着电机控制算法的实际应用。在近年来，美国多所公司都推出了面向电机控制的专用高速数字信号处理器（DSP），促进了电机PWM控制和电流控制发展，大大提高了数据处理能力。但是对于高响应、复杂调节技术实现仍然是困难的。同时，CPLD/FPGA等技术发展为实现PWM控制提供了新的方法。二、PMSM的结构与工作原理1.永磁同步电机的结构永磁同步电机主要由转子和定子两部分组成，其中定子由对称三相绕组和电枢铁芯组成，转子主要由转轴、永磁体及导磁轭铁构成。根据永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电机的转子结构可分为表面式、内插式、内埋式。永磁同步电机转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制方法、制造工艺和适用场合也不同。表面式内插式内埋式2.永磁同步电机特点相对于感应电机，永磁同步电机具有很多优点：（1）永磁同步电机能够提供较高的功率密度比，与相同功率的感应带年纪相比体积小，重量轻；（2）永磁同步电机具有较小的转动惯量，易于应用于对电机驱动系统要求较高的动态响应领域；（3）永磁同步电机无滑环和电刷，使其鲁棒性增强、可靠性得到提高，更易应用于高速、超高速场合；（4）永磁同步电机转子磁场和定子磁场同步，且转子磁场是有永磁体构成，无直接电能消耗，电机效率相对感应电机明显提高。由此可知：永磁同步电机相对于感应电机具有高功率密度、高效率、高可靠性及结构简单、体积小、重量轻等优点。3.永磁同步电机的工作原理当定子三相绕组通上交流电流后，就产生一个旋转磁场，该旋转磁场将以同步转速旋转。由于磁极同性相斥，异性相吸，该旋转磁场将与转子的永磁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转，因此转子也将以同步转速旋转。转子的转速是由定子电流的频率决定的其关系为式中——同步转速（r/min）；——定子电流的固定频率；——永磁同步电机的极对数。nrPfn60rnfnPrnrn三、PMSM的控制策略电力电子技术和微处理器技术的发展为永磁同步电机先进控制方法的应用提供了坚实的物质基础，使永磁同步电机实际控制技术达到了新的高度。目前矢量控制和直接转矩控制是实现高动态性能永磁同步电动控制的两种主要控制策略。1.矢量控制二十世纪七十年代初，德国学者提出了交流电机的矢量控制理论。其主要思想是参考直流电机控制中励磁电流和转矩电流完全解耦分别控制的形式，基于磁场等效原则，通过矢量变换将交流电机数学模型重构为一台他励直流电动机，在同步旋转的参考坐标内将交流电机定子交变电流变换为两个直流量，即励磁分量和转矩分量，且两者在空间上相互垂直，从而实现解耦控制以获得与直流电机一样的动态调速性能。2.直接转矩控制直接转矩控制是德国学者在1985年首次提出的。与矢量控制不同，它通过矢量分析的分析方法，在定子坐标系下直接实现磁链计算与电动机转矩控制，采用定子磁场定向技术，利用离散的两点式调节产生PWM波信号驱动逆变器的开关以获得高性能的永磁同步电机控制。由于其直接实现了电子磁链空间矢量和转矩控制，使控制系统得以简化，提高了快速响应能力，但也有明显不足，即磁链和转矩脉动问题，故它在永磁同步电机控制系统中的应用有待深入研究四、PMSM控制系统的控制算法1.PI控制PI控制是经典的控制策略，方法简单，既能提高系统静态精度，又能提高系统稳定性和改善系统动态品质。永磁同步电机是具有强耦合的非线性对象，很难用精确地数学模型描述，并且电机运行过程中，往往会存在各种不可预见的干扰，同时电机参数也会发生变化。而PI控制器属于线性控制器的一种，它的鲁棒性不够强，适应负载能力差，抗干扰能力差，控制性能不够稳定，很容易受很多因素影响。2.滑模变结构控制滑模变结构的控制是不连续的，常规的控制是连续的，这是变结构控制与常规控制的根本区别。变结构的系统结构随时间变化而产生一个类似开关的变化特性，在这种控制特性的作用下，系统轨迹会沿着事先设定的状态轨迹作高频率、小幅值的来回运动，这就是滑动模态运动（SMC）。SMC可以进行人为预先设定且与控制对象参数及扰动无关，所以SMC能快速响应、对参数变化不灵敏、抗干扰能力强，处于滑动模态运动的系统鲁棒性很强。然而，滑模变结构控制存在严重不足，即滑模系统抖振问题。滑模抖振的存在易于诱发系统未建模特性，影响系统性能，制约着滑模控制技术在实际工程中的应用。3.自适应控制自适应控制无需精确的被控对象的模型，也不需要进行参数估计，只要找到个合适的参数模型就可以，能实时地对控制对象进行在线辨识，及时根据新的信息来调整，克服了参数变化带来的影响。如何提高永磁同步电机控制系统的鲁棒性，克服各种抖动和参数变化的影响，这些就是自适应控制在永磁同步电机控制系统中主要解决的问题。但是，自适应控制也有自己的缺点，如在线辨识和校正需要的时间可能更长，对一些变化较快的伺服系统，就可能达不到很理想的结果。4.模糊控制模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理是模糊控制理论的基础。它的基本思想是模仿人类思维具有模糊性的特点，通过模糊推理来实现对不确定性对象系统的有效控制，核心是模糊控制规则和隶属度函数的确定。模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，鲁棒性强，非常适用于经典控制难以解决的非线性、时变系统的问题，它是以语言变量代替常规的数学模型，推理过程效仿人类的思维过程，借鉴专家的只是经验，可以处理复杂的控制问题。但是，模糊控制的一个主要不足之处在于难以达到较高的控制精度，因为它本身很难消除稳态误差。所以人们通常将模糊控制结合其他的控制方法，以便达到更好的控制效果。5.神经网络控制神经网络是模拟人脑的思维方式进行工作，具有自学习能力、并行处理能力和自适应能力，换言之，它是用科学技术模拟神经系统的结构以及功能的一种信息处理系统。就现状来讲，神经网络已经初步应用到交流伺服系统，一方面利用神经网络的非线性函数非凡的逼近能力和优秀的学习能力，另一方面结合其他的控制技术，两者结合可以改善控制系统的收敛性、稳定性以及鲁棒性。限制神经网络控制在交流伺服系统应用的一个主要因素就是其算法非常复杂，大多数只能在仿真平台上进行。相对于其他学科神经网络还不够成熟，很多问题尚待解决。