數(shù)控機床永磁伺服電機繞組串并聯(lián)換接性能實驗研究

包西平

（徐州工業(yè)職業(yè)技術學院機電工程技術學院，江蘇徐州 221140）

數(shù)控機床永磁伺服電機繞組串并聯(lián)換接性能實驗研究

包西平

（徐州工業(yè)職業(yè)技術學院機電工程技術學院，江蘇徐州 221140）

為提高數(shù)控機床永磁同步電機調(diào)速比，提出了繞組串并聯(lián)換接的方案。闡述了繞組串并聯(lián)換接的實現(xiàn)方法，對串并聯(lián)換接造成電機參數(shù)和運行性能的變化進行了理論分析。搭建了實驗平臺，對繞組串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)換接電機在電流、電壓、轉(zhuǎn)矩等方面進行實驗和分析。通過實驗可知，在工藝條件許可的情況下繞組串并聯(lián)換接是擴展運行范圍的有效方法之一。

永磁同步電機；繞組串并聯(lián)換接；切換點；實驗

0 引言

數(shù)控機床高性能永磁同步伺服電機(High Per?formance PMSM)因能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度、高穩(wěn)定度、快速響應、高效節(jié)能的運動控制而在數(shù)控伺服傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。在數(shù)控機床中永磁同步伺服電機的運行工況卻非常復雜，既有可能在低速區(qū)域運行，也有可能在高速區(qū)域運行。伺服電機在低速區(qū)域運行對轉(zhuǎn)矩波動非常敏感，降低轉(zhuǎn)矩波動、提高運行的平穩(wěn)性是低速運行的基本要求。而對于伺服電機高速運行，如何提高永磁同步伺服電機高速運行的輸出轉(zhuǎn)矩，是高速運行的重要要求。

采用合適的電流控制方法[1-3]，也可以在一定程度上提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩，但其性能的提高，特別是高速運行時轉(zhuǎn)矩輸出能力的提高受電機凸極率及弱磁率的限制，轉(zhuǎn)子結構未經(jīng)特殊設計的永磁同步電機其“弱磁擴速”效果是非常有限的。

隨著新型電流控制算法的涌現(xiàn)、新材料的應用以及轉(zhuǎn)子結構的改進，永磁同步伺服電機控制性能可得到進一步的提高。但如何在當前技術條件下，將永磁同步伺服電機調(diào)速比大幅度提高，特別是提高高速運行時的輸出轉(zhuǎn)矩，滿足高精度數(shù)控機床高性能永磁同步伺服系統(tǒng)的要求，是更加迫切的問題[4]。本文提出采用定子繞組換接的方法解決這一難題，只要稍微改進電機和驅(qū)動系統(tǒng)，在現(xiàn)有條件下就可以大幅度提高數(shù)控機床永磁同步伺服系統(tǒng)的性能。

1 定子繞組串并聯(lián)換接的實現(xiàn)

要實現(xiàn)永磁同步電機定子繞組的串并聯(lián)換接，須將電機每相設計成兩套完全相同的繞組，低速運行時兩套繞組串連，高速運行時兩套繞組并聯(lián)，如圖1所示。這樣在低速運行時，由于繞組串聯(lián)匝數(shù)多，磁鏈值高，電機轉(zhuǎn)矩大。在高速運行時，每相繞組匝數(shù)少，磁鏈值低，一方面電機轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速高，降低了弱磁擴速的要求；另一方面還能提高高速區(qū)域的輸出轉(zhuǎn)矩。

圖1 繞組的串并聯(lián)換接

繞組切換的過程包括三個階段，即電流由最大值降為零的時間t1、開關器件的開閉時間t2及電流由零升為最大值的時間t3。整個換接時間為t1+t2+t3。因此對某一具體的系統(tǒng)來說，繞組串并聯(lián)換接過程具有確定的時間長度，所以換接時無需檢測繞組電流大小，只需根據(jù)預定的時間進行切換即可。圖2是繞組具體的連接電路，開關器件采用IGBT（保護電路未畫出），串聯(lián)運行時每相的K1、K3斷開，K2閉合；并聯(lián)運行時K1、K3閉合，K2斷開。并聯(lián)和串聯(lián)狀態(tài)之間需要加入一個死區(qū)以避免短路。

圖2 換接電路

永磁同步電機繞組串并聯(lián)換接運行的轉(zhuǎn)矩特性如圖3中粗實線OA1FA2D2所示。其中nbs、nbp（分別對應A1和A2）為繞組串聯(lián)、并聯(lián)運行時的轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速。啟動時，繞組串聯(lián)沿OA1運行至A1點（對應轉(zhuǎn)折速度nbs），電機電壓達其極限電壓，此時將繞組換接成并聯(lián)運行，沿FA2運行至A2點（對應轉(zhuǎn)折速度nbp），此過程仍然為恒轉(zhuǎn)矩運行，至A2點時電機電壓又達極限電壓，如仍需繼續(xù)提高速度，則須進行弱磁控制，弱磁控制運行時電機沿A2D2曲線運行。

2 繞組串并聯(lián)換接對電機參數(shù)影響分析

電機繞組的串并聯(lián)換接必然改變電機的基本參數(shù)，如電阻、電感及磁鏈等參數(shù)，在電機電壓、電流極限不變的情況下，電機參數(shù)的變化必然帶來輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速等性能的變化。如果將每相繞組分成兩組，繞組換接前后，兩組間的連接關系發(fā)生了變化，因此，根據(jù)電工學原理可以推導出換接前后電機基本參數(shù)間的關系如下。

圖3 繞組串并聯(lián)換接運行時的轉(zhuǎn)矩特性

其中下標s代表串聯(lián)，p代表并聯(lián)。顯然，定子繞組由串聯(lián)變換為并聯(lián)后，繞組電阻、dq軸電感分別降低至原來的四分之一，磁鏈降低至原來的二分之一。由于繞組并聯(lián)時電機運行于高速區(qū)域，而電機高速運行時，電阻壓降和反電動勢相比很小，因此為了簡單起見，不計電阻，可得：

其中：

可以看出，在電流不變的條件下，定子繞組由串聯(lián)變換為并聯(lián)后，電磁轉(zhuǎn)矩變小，轉(zhuǎn)折速度變大。其中永磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)樵瓉淼亩种唬抛柁D(zhuǎn)矩變?yōu)樵瓉淼乃姆种弧τ谟来磐剿欧姍C，常采用隱極結構，有Ld=Lq的關系，輸出轉(zhuǎn)矩中只包含永磁轉(zhuǎn)矩，此時轉(zhuǎn)折速度變大，而轉(zhuǎn)矩降為原來的二分之一。因此可以初步得出以下結論：永磁同步伺服電機如果按照定子繞組串聯(lián)運行設計，確保了中低速運行的性能，當需要高速運行時，通過外電路切換至并聯(lián)運行狀態(tài)將有利于提高轉(zhuǎn)折速度，提高輸出轉(zhuǎn)矩，改善高速運行性能。這樣根據(jù)運行工況，通過定子繞組串并聯(lián)切換的辦法將有效擴展永磁同步電機運行速度范圍，改進伺服系統(tǒng)的性能。

3 繞組串并聯(lián)換接的實驗研究

為驗證以上研究結果的正確性，對繞組串并聯(lián)換接運行和繞組串聯(lián)運行、繞組并聯(lián)運行三種情況進行了對比試驗，為了便于描述起見仍然將三臺電機分別稱為m0、m1和m2電機。

3.1 實驗平臺

實驗平臺和實驗主要裝置如圖4、圖5所示，實際上是一種基于PC的計算機測控系統(tǒng)[5-6]，由永磁同步伺服電機（實驗時m0、m1和m2三臺分別裝入試驗臺）、編碼器、伺服驅(qū)動器、磁粉制動器、轉(zhuǎn)矩傳感器、電量變送器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀、電參數(shù)采集儀、計算機以及數(shù)據(jù)采集軟件構成[6-7]。其中m0電機為某公司生產(chǎn)的110ST-M02020型永磁同步伺服電機，額定轉(zhuǎn)矩2.2 N·m，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，極對數(shù)為4，轉(zhuǎn)子采用面裝式永磁體，永磁體牌號為N35SH，定子、轉(zhuǎn)子材料均采用DW465_50硅鋼片，定子繞組采用星形連接。

圖4 實驗系統(tǒng)構成

圖5 試驗電機、力矩傳感器與磁粉制動器

圖6 串并聯(lián)變換電路（對應電機一相繞組）

兩套繞組串并聯(lián)的變換，采用開關頻率較高的電力電子器件。圖6是實驗電機一相繞組的電路，SB1、SB2和SB3是三個IGBT器件（保護電路未在圖中畫出），串聯(lián)運行時SB1、SB3斷開，SB2閉合；并聯(lián)運行時SB1、SB3同時閉合，SB2斷開。并聯(lián)和串聯(lián)狀態(tài)之間需要加入一個死區(qū)時間，以避免短路發(fā)生。死區(qū)時間可取大約0.000 1秒，對應于功率器件的開關頻率為10 kHz。

3.2 實驗結果

實驗工況分為空載實驗和負載實驗，速度給定值均為6 000 r/min。每一種工況均對繞組串聯(lián)運行、繞組并聯(lián)運行和繞組串并聯(lián)換接運行三種情況進行對比實驗，將轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩在三種情況下的結果疊加，在一張圖上顯示出來。

（1）空載實驗

實驗結果如圖7所示。

圖7 串聯(lián)、并聯(lián)與串并聯(lián)切換電機比較

（2）負載實驗（負載轉(zhuǎn)矩為0.8 N·m）

實驗結果如圖8所示。

圖8 串聯(lián)、并聯(lián)與串并聯(lián)切換電機比較

從圖可見，繞組串聯(lián)運行最高轉(zhuǎn)速2 158 r/ min，并聯(lián)運行最高轉(zhuǎn)速達4 324 r/min，并聯(lián)運行最高轉(zhuǎn)速約為串聯(lián)運行最高轉(zhuǎn)速的兩倍左右，但在切換點以前的低速區(qū)，串聯(lián)運行轉(zhuǎn)速上升更快，說明其在低速去轉(zhuǎn)矩輸出能力更強。串并聯(lián)切換電機在低速區(qū)其轉(zhuǎn)速—時間特性和串聯(lián)運行電機完全一致；轉(zhuǎn)速超過串并聯(lián)切換點后，運行的趨勢基本和并聯(lián)運行相平行，但速度上升更快，因而在高速區(qū)串并聯(lián)切換電機要比單純并聯(lián)運行電機輸出轉(zhuǎn)矩的能力強，而其所能達到的最高轉(zhuǎn)速則和繞組并聯(lián)電機相同。

負載工況的實驗結果和空載工況的實驗結果基本一致，由于存在負載轉(zhuǎn)矩，因此電機的加速度減小，加速時間延長，和空載工況相比，其結果曲線相當于在時間上向后發(fā)生了平移。

在空載和負載實驗中輸出轉(zhuǎn)矩在切換點處均發(fā)生了大幅度的跌落，這是由于切換時電流失控造成的，失控的時長為開關管開關時間與死區(qū)時間之和。同時為了研究電機運行狀態(tài)對切換點的敏感性，切換時間均滯后了大約10%，但從以上實驗結果來看，無論是切換時的電流失控還是切換點的滯后均沒有對電機的運行狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。這主要是因為一方面電流失控時間和切換滯后時間均非常短，另一方面電機轉(zhuǎn)子本身轉(zhuǎn)速很高，且有一定的慣性，因而對這種短暫、單次的擾動并不敏感。

4 結論

文中論述了永磁同步電機繞組串并聯(lián)換接的實現(xiàn)方法，對串并聯(lián)換接造成電機參數(shù)的變化、換接前后電機性能的變化進行了理論分析。通過實物實驗，可以得出以下結論：繞組串并聯(lián)換接可以在兼顧低速與高速性能的前提下大幅度擴展永磁同步伺服系統(tǒng)的運行范圍，換接的時刻、換接過程對電機運行狀態(tài)的影響并不顯著，在伺服系統(tǒng)工藝條件許可的情況下繞組串并聯(lián)換接是擴展其運行范圍的有效方法之一。

［1］ P Vaclavek，P Blaha.Interior permanent magnet syn?chro-nous machine field weakening control strategy-the analytical solution［C］.Proceeding of international con?ference on electri-cal machines and systems，2007，Seoul，Korea：440-445.

［2］ 吉智，何鳳有.凸極永磁同步電機電流控制方法研究［J］.電氣傳動，2011（7）：3-7，24.

［3］ 李長紅，陳明俊，吳小役.PMSM調(diào)速系統(tǒng)中最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法的研究［J］.中國電機工程學報，2005，25（21）：169-174.

［4］ Shigeo Morimoto.Servo drive system and control charac?teristics of salient pole permanent magnet synchronous motor［J］.IEEE Trans.on Industry Appl.，1993，29（2）：338-343.

［5］ 吉智，何鳳有，竇春雨.基于Matlab/Xpc Target的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］.工礦自動化，2009，158（5）：74-77.

［6］王成元，夏加寬，楊俊友，等.電機現(xiàn)代控制技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

Performance Study Through Winding Series-Parallel Switching of Permanent Magnet Synchronous Motor

BAO Xi-ping
（Xuzhou Industrial and Vocational Technology Institute，Machinery and Electricity Engineering Institute，Xuzhou221140，China）

In order to greatly improve the speed ratio of permanent magnet synchronous motor of NC machine tool，it was proposed to winding series-parallel exchange scheme in this paper.This paper discussed the realization method of winding series-parallel switching of permanent magnet synchronous motor.It was analyzed that series-parallel switching causes the change of motor parameters and performance in theory.The experimental platform was set up.The experiment and analysis in current，voltage，torque，etc，was realized for windings of series，parallel，series-parallel switching motors.The experiment showed that under the condition of the process permit，the winding series-parallel switching is one of the effective methods to extend the operating range.

permanent magnet synchronous motor；winding series-parallel switching；switching point；experiment

TM351

：A

：1009－9492(2014)10－0059－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.016

包西平，男，1972年生，山東蒙陰人，碩士，講師。研究領域：電機、電力電子及電力傳動技術。

(編輯：向 飛)

2014－04－08