同步磁阻电机及其控制技术的发展和应用

同步磁阻电机及其控制技术的发展和应用摘要：本文简单介绍了同步磁阻电机(SynRM)的运行原理。追溯同步磁阻电机的发展历史，总结了同步磁阻电机的结构和运行特点。根据同步磁阻电机的特点结合目前国内外研究现状讨论了同步磁阻电机现有的几种高性能控制方法。最后根据同步磁阻电机当前的研究进展结合其取得的优越性能介绍了其在电动汽车和高速发电等领域的应用。关键词:同步磁阻电机1同步磁阻电机的原理SynRM运行原理与传统的交、直流电动机有着根本的区别，它不像传统电动机那样依靠定、转子绕组电流产生磁场相互作用形成转矩，而遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，通过转子在不同位置引起的磁阻变化产生的磁拉力形成转矩。SynRM在dq轴系下的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程为：电压方程：(1)磁链方程：(2)电磁转矩方程：(3)Ld、Lq为绕组d、q轴电感；Rs为定子绕组相电阻；ωr为转子电角速度；ψ𝑑、ψ𝑞为定子d、q轴磁链，p𝑛为电机极对数；β为电流综合矢量与d轴之间的夹角[1]。2同步磁阻电机的发展历史早在二十世纪二十年代KostkoJK等人提出了反应式同步电机理论[2]，M．Doherty和Nickle教授提出磁阻电机的概念，此后国外关于许多专家和学者对同步磁阻电机的的能、转子结构和控制方法进行较深入研究。早期的同步磁阻电机由一个无绕组凸级转子和一个与异步电机类似的定子组成。在转子轭q轴方向加上两道气隙,以增加q轴磁阻。利用d-q轴的磁阻差来产生磁阻转矩。转子周边插上鼠笼条以产生异步起动转矩。然而,由于该异步转矩的作用,又将引起转子震荡而难以保证电机正常运行。六十年代初,出现了第二代同步磁阻电机它利用块状转子结构来增加d-q轴磁阻差,同时不用鼠笼条来起动转矩,而直接靠逆变器变频来起动,从而减轻了转子震荡现象[3]。然而,为产生足够的磁阻转矩,需要定子侧有较大的励磁电流,致使该电机功率因素和效率都很低,从而影响了该种电机的推广使用。为尽可能增大d-q轴磁阻差,同时减小励磁电流,增大功率因素,在七十年代初期产生了第三代同步磁阻电机,采用轴向多层迭片结构,以获得最大的d轴电感和最小q轴电感,而得到最大磁阻转矩[4]。采用该转子结构后,d-q轴电感之比可以达到20,其输出功率可以达到同尺寸大小的异步电机输出功率。1991年美国威斯康星大学T.A.Lipo教授对同步磁阻电机的转子结构进行进一步优化，发表文章提出SynRM在交流调速驱动系统中替代异步电动机的可能性的问题[5,6]。1993年英国的T.J.E.Miller教授指导的课题组对SynRM不同转子结构的磁路进行了分析和研究，试图寻找更优化的转子结构提高电机的凸极率，并重点对轴向叠片转子结构SynRM转子叠片层数、绝缘占有率进行了优化，得到优化后的样机在最大转矩电流比控制时功率因数为0.7左右[7,8]。文献[9]对冲片叠压式SynRM转子空气层做了较为深入的分析，通过有限元和仿真实验设计优化了转子结构，主要分析了转子空气层含有率、位置、个数，转子气隙以及电机饱和对电机电磁参数的影响，指出了空气层含有率、转子气隙、电机饱和对电机性能影响较大，同时优化后的样机其功率因数为0.72，对SynRM的电磁设计与分析具有很好的参考价值。文献[10]对冲片叠压式SynRM三种转子结构的磁场分布进行了分析和比较，指出转子空气层之间的连接处将会给d轴磁通提供较小磁阻磁路，去掉转子空气层之间的连接处将明显提高电机的功率因数。文献[11,12]提出了采用有限元和罚函数法，通过比较冲片叠压式SynRM凸极率和交、直轴电感差值，自动ACAD绘图、剖分和数据存储来快速优化转子结构提高电机力能指标的方法。我国对SynRM的研究起步较晚。1994年，华中科技大学辜承林教授指导的课题组设计制作出国内第一台两极的ALA转子样机，其样机的凸极率和功率因数分别达到了11和0.85左右，但其结构加工较复杂[13-17]。文献[18]根据能量平衡的观点，以异步电机为参照，分析了SynRM交、直轴电感以及凸极率对电机性能的影响，并指出对于确定的凸极率理论上有最大的功率因数与之对应，反之对于确定的功率因数理论上有最小的凸极率与之对应。在SynRM设计时凸极率应根据电机的过载能力和功率因数的要求而正确选择，单纯追求增大凸极率是不适当的。指出在电机应用中，功率因数小于0.85且容量较小时，SynRM可与异步电机匹敌。文献[19]介绍了SynRM的结构及仿真设计。电机转子采用栅格叠片结构，驱动控制器采用电流矢量控制方式，指出SynRM与感应电动机相比，具有效率高、功率密度大等优点；与永磁同步电动机相比，在同等功率条件下大大降低了电机的成本，同时拓宽了电机的使用范围，提高了电机运行的可靠性。2011年ABB公司在同步磁阻电机转子设计方面取得突破性进展，如今已经有了应用于工业应用中的商业化产品。3同步磁阻电机的性能特点3.1相比于传统电机的优点与传统直流电动机相比，SynRM没有电刷和滑环，维修简单方便。与异步机相比，SynRM转子上没有绕组，则没有转子铜耗，基本上不存在转子发热问题，提高了电机的运行效率和安全性，另外由于转子上没有阻尼绕组电机响应不受转子时间常数的限制，动态响应速度快。与开关磁阻电机相比，SynRM可以做到转子表面光滑、磁阻变化较为连续，避免了开关磁阻电机运行时转矩脉动和噪声大的问题。由于磁阻正弦变化使得矢量控制能够被用于同步磁阻电机以便于取得很好的控制性能。与永磁同步电机相比，SynRM转子上没有永磁体，成本更低，无弱磁难高速性能好，调速范围宽，不存在高温失磁的问题，可以在高温的极端环境中应用。同步磁阻电机的交直轴磁阻差异大，旋转时磁阻的变化包含了位置信息，可利用其进行无位置传感器控制，使得其相对于永磁同步电机的无位置传感器控制更为灵活[1]、[20]。3.2同步磁阻电机存在的问题尽管同步磁阻电机有诸多的优点，但是它的缺点也同样明显，目前还存在着许多亟待研究解决的问题[20-21]。(1)转子上无启动绕组，难以直接在线启动；(2)同步磁阻电机运行时必须通入励磁电流，使得其功率因数受到限制。(3)同步磁阻电机的交直轴磁路饱和不仅受到同轴电流影响而且受到相正交的轴的电流影响，使得同步磁阻电机的控制面临一些特殊的问题。(4)电机在运行的过程中存在一个不稳定区间，而变频器中的谐波成份会对电机的运行产生扰动，使电机在微小的时间段内产生转差。4同步磁阻电机的控制方法为了获得较好的控制性能取得较高的控制精度同步磁阻电机的控制主要通过矢量控制和直接转矩控制。为了减小控制成本，发挥同步磁阻电机低成本的优势以及在特殊的应用场合为了达到提高系统的安全可靠性，去掉位置传感器的要求，同步磁阻电机的无传感器控制得到了深入的研究。同步磁阻电机控制方案面临的两大问题，一方面表现为需要位置传感器。另一方面，同步磁阻电机因其磁路不同，磁饱和对d轴与q轴的影响差别很大，d轴电感随电流而变化。如对d轴电感作线性化处理将产生很大的误差。4.1同步磁阻电机矢量控制同步磁阻电机的矢量控制其主要的控制参数是定子电流矢量与D轴的夹角θ，基本的控制方法有（1）最大转矩控制（MTC）：当/4时，每安培电流能得到最大的转矩（2）最大转矩变化率控制（MRCTC）：当1tan可以实现最大转矩变化率控制，MRCTC控制有着比MTC法更快的转矩变化率，但是当ξ值很大时候MRCTC控制能得到的最大转矩很小。（3）最大功率因数控制（MPFC）：由于功率因数直接关系到变频器的输出功率，故好的系统要求有高的功率因数。当1=tan时，最大功率因数控制得以实现（4）感应轴恒电流控制（CCIAC）：D轴电流保持不变，操作Q轴电流以控制转矩。根据研究CCIAC法在低速的时候转矩变化响应比较快，但是随着速度的提高，转矩的响应速度下降，但是这种控制方法和永磁电机控制几乎一样，控制策略相对简单，易于实现。其中ξ=Ld/Lq。可以看出，在最大功率因数控制（MPFC）和最大转矩变化率控制（MRCTC）中ξ值的大小直接影响电机的各个性能，是控制的关键要素，而且这两种方法对于ξ的变化都很敏感。但是Ld和Lq的值在电机运行期间，特别是饱和时会产生较大变化，不容易测准[22]。基于以上这些基本的控制方法及其特点，关于同步磁阻电机矢量控制很多学者进行了深入的研究。文献[23]介绍了一种同步磁阻电机的精确恒电流角控制技术。用有限元计算结果精确解耦d、q轴电流，并构建了基于TMS320F240芯片的数字控制系统。文献[24]提出了一种使同步磁阻电机获得最高效率的定子磁链定向矢量控制方案。考虑到电机低速运行时主要是铜损，高速运行时铁损又成为主要问题，而在给定速度和转矩下，电机损耗仅是定子磁链幅值的函数。通过实验可找出电机的最优运行点，电机在最优运行点附近具有最高效率。文献[25]提出了一种保持转矩与电流之比为最大值的矢量控制方案，当转矩与电流之比为最大值时铜损最小、效率最高。通过分析矢量控制下转矩和d轴电流的简单关系，在控制方案中通过转矩计算d轴电流的给定值。实验证明，在可接受的速度响应下，该方案能使定子电流最小，效率最高。文献[26]分析同步磁阻电机矢量控制系统磁饱和的影响，通过实测d、q轴电流计算出d轴电流的优化值，对该优化值与实际值的偏差实行比例积分控制。采用这种控制方法能在相同运行条件下使定子电压和电流减小，从而提高电机效率和功率因数。文献[27]考虑同步磁阻电机电感和转矩依赖电机电流的非线性特点，把转矩特性分解成电流幅值和电流相位分别与最大转矩之间的关系，并把这两种关系用线性函数逼近，在实时控制时通过这两种线性函数计算d轴和q轴电流的参考值。与恒电流角控制相比，该方案具有更高的功率因数和效率。4.2同步磁阻电机无位置传感器控制同步磁阻电机的矢量控制依赖于转子位置信息，位置检测的准确性直接影响矢量控制的控制性能。然而高精度的位置传感器价格昂贵不利于减小成本，而且光电码盘，旋转变压器等位置传感器都对于应用场合有一定要求，会降低整个系统的可靠性。为此对于同步磁阻电机实现无位置传感器控制显得尤为重要。在永磁同步电机的无位置传感器控制中位置估测技术有了广泛而深入的研究，这些研究对于同步磁阻电机的转子位置估测有很大的借鉴意义。将各种位置检测方法、适用范围以及优缺点可列成表1的形式[28]。表1PMSM无传感技术无传感技术使用范围优点缺点电压开环高速算法简单易实现参数敏感，受系统扰动影响变化大状态观测器法高速动态性能好、稳定性高、参数鲁棒性强、适用范围广算法复杂，计算量大虚拟坐标系法高速实用范围广，易于工程实现在初始位置判断以及起动上算法复杂电感凸极效应预估法高速利用电感特性，减少预估算法对转速的需求鲁棒性差，适应范围小模型参考自适应高速鲁棒性好，适应范围广存在永磁体，有新问题需要解决扩展卡尔曼滤波器高速动态性能和抗干扰能力好，调速范围很宽算法复杂，不易工程实现滑模观测器法高速鲁棒性好，易于工程实现存在抖振现象旋转高频电压注入低速及初始位置检测易于系统实现，参数调节方便信号解调的滞后较大，对凸极性有一定要求脉振高频电压注入低速及初始位置检测对环境和测量误差不敏感参数调节复杂脉振高频电压矢量注入以及相位检测初始位置检测易于工程实现对电机参数变化比较敏感预定位法初始位置检测算法简单有效受负载影响比较大矢量励磁以及电流幅值测量初始位置检测适用范围广、对参数依赖小算法计算时间长，容易产生振动脉冲励磁和电流幅值测量初始位置检测对参数依赖小算法计算时间长，对凸极性有一定的要求将以上无传感器技术应用于同步磁阻电机无位置传感器控制将主要面临问题以下两个问题：1、宽调速范围内能够稳定运行且易于工程实现的无位置传感器控制方法2、减小电机系统参数以及负载变化对位置检测的影响。目前国外关于同步磁阻电机无位置传感器控制的研究主要有：Kreindler,L.提出了通过定子电压三次谐波估测转子位置的方法，然而这种方法的低速表现差，最低频率只能到达2.7Hz[29]。Lagerquist,R.,Boldea,I.,和Miller