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永磁同步电机控制系统研究学号：0140209108姓名：邓忠伟摘要近年来，随着永磁同步电机制造成本的降低，还有电力电子器件工艺的快速发展以及全数字化控制技术的推广，永磁同步电机在包括混合动力汽车、轨道交通、电梯领域等广泛的领域中都有非常多的应用前景。永磁同步电动机结构简单、体积小、运行可靠、功率密度高、重量轻、损耗小、效率高。为充分发挥永磁同步电机的优势和潜能，对其控制方法的研究具有十分重要的意义。本文首先介绍了永磁同步电机的结构和分类,然后分析了开环恒压频比控制,矢量控制（磁场定向控制）和直接转矩控制策略，并对这三种应用最为广泛的控制策略的优缺点进行了比较。针对永磁同步电机的矢量控制方法，详细地分析了其实现的原理。对无机械传感器中的转子位置和转速估计方法、无初始位置的电机起动方法等进行了总结和阐述，最后给出全文总结。AbstractInrecentyears,withthecostofmanufacturingpermanentmagnetsynchronousmotor（PMSM）hasbeenreduced,andtherapiddevelopmentofpowerelectronicstechnologyandthepromotionoffulldigitalcontroltechnology,permanentmagnetsynchronousmotorhasbeenappliedinawiderangeoffields,suchashybridcars,railtransportation,elevatorfieldandsoon.Permanentmagnetsynchronousmotorhassimplestructure,smallvolume,reliableoperation,highpowerdensity,lightweight,lowlosses,highefficiency.Inordertomakefulluseofitsadvantagesandpotential,theresearchofitscontrolmethodsisofgreatsignificance.Thisarticlefirstintroducesthestructureandclassificationofthepermanentmagnetsynchronousmotor,andthenanalyzestheopenloopV/fcontrol,vectorcontrol（field-orientedcontrol）anddirecttorquecontrolstrategyandcomparestheiradvantagesanddisadvantages,allofthemaremostwidelyused.Inviewofthevectorcontrolmethodofpermanentmagnetsynchronousmotor,thisarticleanalyzestheprinciplesofitsimplementationindetail.Thentheestimationmethodsofrotorpositionandspeedwithoutmechanicalsensors,andthestartingmethodswithoutinitialpositionofmotoraresummarizedandexpounded,finallysummaryofthefulltextisgiven.1.引言随着电力电子技术及交流电机控制理论的发展和不断完善,交流电机调速正逐渐取代直流电机调速而得到广泛的应用。特别是具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线等优异性能的钕铁硼稀土永磁材料的出现和相应的工艺技术的发展,使得永磁电机成本不断降低,性能不断提高。近年来永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善以及电力电子技术的进一步发展,使永磁电机在高性能、大容量等领域中的应用得到了突飞猛进的发展。永磁式同步电动机结构简单、体积小、运行可靠、功率密度高、重量轻、损耗小、效率高。和直流电机相比,它没有换向器和电刷等不可靠的部件；和异步电动机相比,它不需要无功励磁电流,因而效率高,功率因数高,力矩惯量比大,定子电流和定子电阻损耗减小,且转子参数可测,控制性能好,但它也有成本高、起动困难等缺点；和普通同步电动机相比,它省去了励磁装置,简化了结构,提高了效率,同时电机的形状和尺寸可以灵活多样。在电动汽车等牵引系统中,使用永磁同步电机可以减轻汽车重量、缩小体积、提高效率。在电动汽车驱动系统中,高速运行区域需要进行弱磁控制。目前,永磁同步电机的基本控制方法主要有开环恒压频比控制,矢量控制（磁场定向控制）和直接转矩控制等。其中矢量控制和直接转矩控制为闭环控制,控制性能较高,但是需要对电压、电流、转子位置和转速等进行测量并形成反馈。一般需要在电机转子上安装机械传感器来测量电机转子位置和转速。机械传感器增加了电机体积和成本,复杂的连线增加了系统的复杂度,降低了可靠性。理论上只要知道电机绕组电压和电流就可以计算出转子位置,因此从上个世纪90年代开始无机械传感器的控制方法逐渐成为一个研究的热点。2.永磁同步电机的结构和分类永磁同步电机主要由转子、定子与端盖等部件构成，其定子主要是由铁心和电枢绕组构成，与绕线式同步电机的定子结构相同。它们的区别在于，绕线式同步电机的励磁是由转子的励磁线圈产生，但永磁同步电机的转子采用永磁体作为励磁材料，因此功耗小、结构简单；同时永磁同步电机具有体积小、效率高、重量轻、运行稳定可靠等优点，这些优点是其它电机无法比拟的，因此永磁同步电机具有较好的应用前景。永磁同步电机按照其电枢绕组流过的电流波形，有以下两种基本形式：一种是方波供电的永磁无刷直流电机（BrushlessDirectCurrentMotor,BDCM），另外一种是正弦波供电的永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM）。永磁无刷直流电机的反电动势为梯形，永磁同步电机的反电动势为正弦波形。电机的运行特性、控制方法与转子磁路及转子结构有密切的联系。根据转子上的永磁体的安装位置的不同，永磁同步电机一般分为表面式与内置式。表面式转子结构又可分为凸出式（见图1（a））与插入式（见图1（b））两种，因永磁材料相对回复磁导率接近1，即其交轴（q轴）电感等于直轴（d轴）电感，因此表面凸出式磁路转子为隐极转子结构；插入式转子的直轴电感小于交轴电感，因此表面插入式磁路转子为凸极转子结构。图1（a）凸出式图1（b）插入式3.永磁同步电机基本控制策略恒压频比控制是一种低成本的开环无位置传感器控制方法,但是由于不能保证电流矢量方向和转子磁链矢量垂直,所以功率因数和效率都会降低,一般用于对性能特别是低速性能要求不高的调速系统中,如风机、水泵等。在电压幅值、频率和电机负载不匹配时容易出现不稳定现象。如果转子带阻尼绕组,则阻尼绕组可以保证电机的同步和稳定,但是对于无法安装阻尼绕组的电机,如表面贴式永磁同步电机,在恒压频比控制下的稳定性就成为一个问题。而利用有功电流信息来提高系统稳定性并利用无功信息来获得更高效率的恒压频比控制方法,可以获得更高的转矩响应速度,并且不需要前馈控制,但是需要测量电机定子绕组两相电流,硬件成本比较高。也可以通过测量直流母线电流来控制永磁同步电机的功率因数,从而提高系统的效率并保持稳定。交流电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统,很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩,但若以磁链这一旋转的空间矢量为参考坐标,利用从静止坐标系到旋转坐标系的变换,就可以把定子电流中的励磁分量与转矩分量变成相互独立的标量,分别进行控制,即矢量控制,又叫磁场定向控制。根据磁场矢量方向定位的不同,矢量控制又分为转子磁场定向矢量控制、定子磁场定向矢量控制、气隙磁场定向矢量控制等。永磁同步电机的矢量控制本质上是对定子电流矢量相位和幅值的控制,把电流分离为励磁电流分量和转矩电流分量。由于永磁同步电机转子磁场由永磁体产生,所以在隐极式电机中一般选择把励磁分量电流控制为零,可以保证最大转矩/电流比。在凸极式电机中,由于存在磁阻转矩项,励磁电流分量也可以产生转矩,所以为了得到最大的转矩/电流比,d轴电流通常不为零。由于永磁同步电机转子结构的多样性,其定子电流控制模式也多种多样。对应不同的转子结构,id=0控制、MTPA（单位电流最大转矩）控制、单位功率因数控制和恒磁链控制等控制方法分别被不同学者提出,其控制效率、功率因数和转矩输出能力各不相同。此外,在弱磁区域的d轴电流也不为零。直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下计算并控制交流电机的转矩,借助于双位模拟调节器产生PWM信号,直接对逆变器的开关状态进行最佳控制,以获得转矩的高性能控制。它省掉了复杂的矢量变换,其控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确。永磁同步电机由于运行机理与异步电机不同,直到1997年,才由澳大利亚的RhmanM.F.教授给出了较为完整的永磁同步电机直接转矩控制理论。在此之后,越来越多的学者投入到永磁同步电机直接转矩控制的研究。4.永磁同步电机的数学模型永磁同步电机转子上安装有永磁体，定子上安装有A、B、C三相互成120°的对称绕组，转子与定子之间通过气隙磁场来耦合。电机定子与转子各个参量的电磁耦合关系很复杂，导致定子与转子之间的参量的变化规律无法准确分析，因此给PMSM的控制与分析带来了很多困难。为了建立可行的永磁同步电机数学模型，对永磁同步电机作如下的假设：①定子绕组Y型联接，三相绕组对称分布，各相绕组轴线在空间上互差120°；转子上的永磁体产生主磁场，转子没有阻尼绕组；②忽略定子铁心与转子铁心的涡流损耗和磁滞损耗；③忽略电机绕组电感与绕组电阻等参数的变化；④定子电势按照正弦规律变化，忽略磁场中产生的高次谐波磁势。在满足上述条件的基础上，对永磁同步电机进行理论分析，在工程允许的误差范围内，所得到的结果与实际情况非常接近，因此，可以使用上述的假设来对PMSM作分析与控制。（1）三相静止坐标中的PMSM数学模型在三相静止坐标中，将电机定子三相绕组中的A相绕组轴线作为空间坐标系的参考轴线A，确定好磁链以及电流的正方向，如图2所示。图2永磁同步电机的物理模型因此，可以得到永磁同步电机在A、B、C三相坐标下的定子电压方程为：由图2可见，每个绕组的首端流入电流、尾端流出电流规定为对应相电流的正方向。按照右手螺旋法则，得到每相轴线的方向，从而建立ABC坐标系，规定逆时针方向为正方向。在ABC坐标系下的磁链方程为：在三相静止坐标系下的电压方程与磁链方程较复杂，电机定转子的相对位置是随时间变化的，会导致磁链数值的变化，这样会导致转矩方程的表述比较复杂。因此，采用三相静止坐标系中的数学模型来对电机进行分析与控制是非常困难的，需要寻找相对较简便的数学模型对永磁同步电机进行分析与控制。（2）两相静止坐标系中的PMSM数学模型永磁同步电机在静止的αβ坐标系中的各个变量是可以直接测量的，因此，研究电机特性及电机控制的时候，亦可以采用αβ坐标系中的数学模型。ABC坐标系下的电机电压方程及磁链方程可在αβ坐标系表示出来。在αβ坐标系中，α轴与A相轴线重合，β轴超前于α轴90°。αβ坐标轴中的电压电流，可以由三相坐标系中的电压电流通过简单的线性变换得到。旋转变量从三相ABC静止坐标系变换到αβ坐标系称为Clark变换，有：其中Ld，Lq分别为PMSM的直轴与交轴电感，ψa为PMSM的永磁体的磁极产生的与定子绕组交链的磁链。在αβ坐标系中，经过Clark变换使三相静止坐标系下的PMSM的数学模型方程获得了简化。在两相静止坐标系下的PMSM模型下的转矩方程、电机运动方程，与在三相静止ABC坐标系下的转矩方程、运动方程相似，电机的运动方程在此模型下相对比较简单，但是此模型下的电机转矩方程非常复杂。因此，该模型下的PMSM数学模型依旧不是最适用的