• 背景介紹
• 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
• 數(shù)學(xué)模型
• 控制策略

　　永磁同步電機(jī)概述永磁同步電機(jī)出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，它的運(yùn)行原理與普通電激磁同步電機(jī)相同，但以永磁體激磁替代激磁繞組激磁使得電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。永磁同步電機(jī)省略了普通同步電機(jī)所特有的集電環(huán)和電刷，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。由永磁體激磁，無(wú)須激磁電流，因而提高了電機(jī)的效率和功率因數(shù)。

　　普通同步電機(jī)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小可以人為地改變勵(lì)磁磁勢(shì)的大小。永磁同步電機(jī)以永磁體代替電勵(lì)磁繞組作為磁勢(shì)源，它對(duì)外提供的磁通‰和磁勢(shì)L隨著外磁路磁導(dǎo)和電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的變化而自動(dòng)變化，無(wú)法直接調(diào)節(jié)永磁鐵磁勢(shì)的大小。永磁體作為磁路的一部分，由于磁鐵的磁導(dǎo)率低，對(duì)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)起削弱作用，使得永磁同步電機(jī)的直軸電樞反應(yīng)電抗比交軸反應(yīng)電抗小得多。

　　普遍認(rèn)為永磁同步電機(jī)存在著無(wú)異步起動(dòng)能力和重載時(shí)有振蕩失步的危險(xiǎn)。永磁同步電機(jī)起動(dòng)時(shí)，雖然定子繞組中通以交變電流并建立旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)在永磁體磁極中產(chǎn)生相互作用，由于其轉(zhuǎn)子慣性較大，使得電機(jī)無(wú)法獲得足夠的起動(dòng)力矩。永磁同步電機(jī)以某一頻率旋轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)載的變化只是改變了定子磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線的夾角，此時(shí)電機(jī)仍保持同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)定子磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線的夾角增大并超過(guò)最大負(fù)載角，此時(shí)電機(jī)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體問(wèn)的磁力將無(wú)法維持負(fù)載平衡，使得轉(zhuǎn)子脫離同步轉(zhuǎn)速發(fā)生失步。

　　電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)為解決永磁同步電機(jī)異步起動(dòng)和失步振蕩問(wèn)題提供了解決辦法。永磁同步電機(jī)起動(dòng)時(shí)，變頻器輸出較低頻率的電壓在電機(jī)中形成旋轉(zhuǎn)緩慢的定子磁場(chǎng)，隨著負(fù)載角的增大，電磁力矩也相應(yīng)增大并克服轉(zhuǎn)子慣性使其旋轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)速隨著變頻器頻率的升高而逐漸升高至某一轉(zhuǎn)速，完成起動(dòng)過(guò)程。在變頻調(diào)速中對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩實(shí)行閉環(huán)控制，可隨時(shí)調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，避免永磁同步電機(jī)出現(xiàn)失步現(xiàn)象。

　　有別于異步電機(jī)，同步電機(jī)只能通過(guò)調(diào)頻的方式進(jìn)行調(diào)速。盡管電機(jī)轉(zhuǎn)速可與電源頻率保持同步，但對(duì)于車輛行駛工況中存在不確定負(fù)載擾動(dòng)的場(chǎng)合，僅僅依靠外部裝置設(shè)置供電頻率的方式達(dá)不到電動(dòng)汽車的性能要求。反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，由電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的位置傳感器發(fā)出的脈沖控制定子電壓頻率能夠獲得更好的效果。永磁同步電機(jī)能夠滿足電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)要求，在電動(dòng)汽車的應(yīng)用中越來(lái)越受到重視。

　　永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)除電機(jī)外，系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)單元、位置控制系統(tǒng)、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元、通訊接口單元等。

　　1．永磁式交流同步伺服電機(jī)。永磁同步電機(jī)永磁式同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高的特點(diǎn)。和直流電機(jī)相比，它沒(méi)有直流電機(jī)的換向器和電刷等需要更多維護(hù)給應(yīng)用帶來(lái)不便的缺點(diǎn)。相對(duì)異步電動(dòng)機(jī)而言則比較簡(jiǎn)單，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)、控制性能好，但存在最大轉(zhuǎn)矩受永磁體去磁約束，抗震能力差，高轉(zhuǎn)速受限制，功率較小，成本高和起動(dòng)困難等缺點(diǎn)。與普通同步電動(dòng)機(jī)相比，它省去了勵(lì)磁裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

　　2．驅(qū)動(dòng)單元。驅(qū)動(dòng)單元采用三相全橋自控整流，三相正弦PWM電壓型逆變器變頻的AC-DC-AC結(jié)構(gòu)。設(shè)有軟啟動(dòng)電路和能耗泄放電路可避免上電時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的瞬時(shí)電流以及電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很高的泵升電壓。逆變部分采用集驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和功率開(kāi)關(guān)于一體的智能功率模塊(IPM)。

　　3．控制單元。控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心, 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。具有快速的數(shù)據(jù)處理能力的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)被廣泛應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)，集成了豐富的用于電機(jī)控制的專用集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時(shí)計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序存儲(chǔ)器等。

　　4．位置控制系統(tǒng)。對(duì)于不同的信號(hào)，位置控制系統(tǒng)所表現(xiàn)出的特性是不同的。典型的輸入信號(hào)有三種形式:位置輸入（位置階躍輸入）、速度輸入（斜坡輸入）以及加速度輸入（拋物線輸入）。位置傳感器一般采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、磁編碼器等元件。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出兩相正交波形，能輸出轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置，但其解碼電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。磁編碼器是實(shí)現(xiàn)數(shù)字反饋控制性價(jià)比較高的器件，還可以依靠磁極變化檢測(cè)位置，目前正處于研究階段，其分辨率較低。

　　5．接口通訊單元。接口包括鍵盤/顯示、控制I/O接口、串行通信等。伺服單元內(nèi)部及對(duì)外的I/O接口電路中，有許多數(shù)字信號(hào)需要隔離。這些數(shù)字信號(hào)代表的信息不同，更新速度也不同。

　　圖 永磁同步電機(jī)的內(nèi)部電磁結(jié)構(gòu)

　　一臺(tái)永磁同步電機(jī)的內(nèi)部電磁結(jié)構(gòu)如圖所示，其中各相繞組的軸線方向也作為各相繞組磁鏈的正方向，電流的正方向也標(biāo)在圖中，可以看出定子各相的正值電流產(chǎn)生各相的負(fù)值磁鏈，而定子繞組的電壓正方向?yàn)殡妱?dòng)機(jī)慣例。在建立數(shù)學(xué)模型之前做如下的假設(shè)：忽略鐵心飽和；不計(jì)渦流和磁滯損耗；轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組；永磁材料的電導(dǎo)率為0；相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形是正弦波。根據(jù)以上的假設(shè)和一系列的推導(dǎo)可得到永磁同步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下。

　　定子電壓方程：

　　(1)

　　(2)

　　定子磁連方程：

　　(3)

　　(4)

　　將方程（3）和（4）代入到方程（1）和（2），得到如下方程：

　　(5)

　　(6)

　　將（5）-（6）合并得到如下方程：

　　(7)

　　將（7）方程變化成適合在matlab/simulink環(huán)境下能搭建模型的方程，即。

　　(8)

　　以上式子中：p-微分算子，rs-電驅(qū)繞組電阻，ωr-轉(zhuǎn)子角速度，ψf-永磁體產(chǎn)生的磁鏈，是常數(shù)，ld，la是d，q線圈的自感。

　　電磁轉(zhuǎn)矩方程：  (9)

　　電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：  (10)

　　電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度方程：  (11)

　　而式子中的p為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)；te為電磁轉(zhuǎn)矩；tl 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；j為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；b為阻尼系數(shù)。

　　矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是永磁同步電機(jī)兩種典型的控制策略。

　　一、永磁同步電機(jī)矢量控制

　　永磁同步電機(jī)矢量控制方法主要有：id=0控制、COSψ=1控制、恒磁鏈控制、最大轉(zhuǎn)矩／電流控制、弱磁控制、最大輸出功率控制等，其中，id=0控制方式最簡(jiǎn)單，COSψ=1控制則可以降低與電機(jī)匹配的變頻器容量，而恒磁鏈控制可以增大電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。

　　二、永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制

　　直接轉(zhuǎn)矩控制放棄了矢量控制的解耦思想，采取定子磁鏈定向．利用離散的兩點(diǎn)式(Ban&Band)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直接對(duì)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速。

　　1996年，英國(guó)的French等Ll”發(fā)喪了關(guān)于永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的淪文，1997年．由澳大利亞的Zhong、Rahman教授和南京航空航天大學(xué)的胡育文教授合作提出了基于永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方案，初步解決r直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用于水磁同步電機(jī)的理論基礎(chǔ)。