開關磁通電機矢量控制技術研究

撰文/田國華

開關磁通電機矢量控制技術研究

撰文/田國華

本文通過對新型的12/10極開關磁通電機的控制方法進行了研究，通過將技術相對成熟的矢量控制方法應用到開關磁通電機，使得電機能夠實現平穩調速、降低轉矩脈動以及增加調速范圍。本文首先介紹了12/10極開關磁通電機的發展背景；進而通過建立數學模型對開關磁通電機的工作原理進行了描述，從而為后文將矢量控制技術應用到開關磁通電機奠定了理論基礎；最后，提出了基于矢量控制技術的開關磁通永磁同步電機控制技術，并且提出了系統的方案，并提出了本設計的創新點。開關磁通；矢量控制；永磁電機

■130013 一汽模具制造有限公司 吉林 長春

目前永磁電機主要采用永磁體安裝在轉子的結構，隨著控制理論、永磁材料和電力電子技術的發展，基于磁場定向控制( fluxorientation control FOC)、直接轉矩控制(direct torque control DTC)等先進控制算法的轉子表面貼裝式永磁( surface mounted permanent magnet SPM)電機以其優良的控制性能、高功率密度和高效率，越來越多地用于各種高性能伺服系統及其他領域。FSPM電機每相永磁磁鏈和反電勢波形都接近正弦波，更適宜于BLAC(brushlessAC)運行方式。目前，國際上對于FSPM電機的研究成果均集中在電磁計算、靜態特性分析、優化設計以及靜態轉矩特性分析等對電機本體的研究，而對于FSPM電機在實際驅動系統中應用效果的研究涉及很少。2009年，東南大學對FSPM電機的高性能控制策略展開研究。在分析FSPM電機結構與工作原理的基礎上，提出利用FSPM電機的靜態特性(永磁磁鏈、空載反電動勢、電樞電感等)把定子永磁型結構的FSPM電機模型等效為轉子永磁型的FSPM電機模型。根據FSPM電機自身特性，分別建模仿真并分析定子磁場定向控制(stator flux-orientation control FSOC)、DTC及基于空間矢量調制(space vectormodulation，SVM)DTC對FSPM電機運行特性的影響，得出恒定開關頻率下穩態、動態及低速時的電流、轉速、轉矩以及磁鏈波形。并在此基礎上對所述控制策略的仿真結果進行分析比較。通過dspic實驗平臺對FSPM電機FSOC驅動系統進行了實驗驗證。

圖1.1　12/10極FSPM電機截面圖

FSPM電機雖然本身具有優良的性能，但如何對電機電樞電流進行有效的控制，以實現高效和寬調速運行，則是一個具有挑戰性的問題，FSPM電機結構獨特，磁路存在著明顯的局部飽和，齒槽效應和邊緣效應，使傳統永磁同步電機的弱磁控制方法不再適應。在這樣一個復雜對象的控制問題面前，本文擬將空間矢量控制理論引入FSPM電機驅動系統，產生一種符合FSPM電機特點和要求的有效控制方法，并以DSP為核心構建新型FSPM電機全數字化控制系統，有效提高FSPM電機驅動系統的控制特性和運行性能，實現高性能永磁同步電機控制，具有重要的學術意義和應用價值，為以后FSPM電機的智能控制奠定基礎。

1　FSPM電機基本原理

圖1.1是本課題實驗所用的三相FSPM 12/10極電機圖。它的定子采用的是集中繞組方式，因此所用繞組相對較少，因此降低了損耗，它的轉子則與開關磁阻電機的轉子繞組相類似。定子繞組中將四組線圈連接而成為一相繞組，圖1.1中的A1、A2、A3和A4共同組成了A相繞組。FSPM的定子存著U形的鐵心，該鐵芯具有導磁功能，并且定子中預置了12支可以充消磁的永磁體。定子永磁型電機相對轉子永磁型電機而言，它有著更好地冷卻性，具有更好地溫度適應性。

FSPM電機的工作原理和開關磁阻電機的工作原理很接近，它們的轉矩都存在磁阻性的特點，電機通過“磁阻最小原理”運行起來，也就是說電機的磁通的閉合方向總是朝著磁通量最小的方向，從而形成磁場扭曲的電磁轉矩。當電機的轉子從一個位置轉動至臨近的下一個位置時，電機定子繞組產生的磁通大小不變但是方向朝向相反方向，這種變化方式實現了磁通的切換。因此，我們可以知道開關磁通電機磁鏈的極性為雙極性，磁鏈雙極性是開關磁通永磁同步電機的一大特點。由于開關磁通永磁同步電機在結構上的特點，從而確保了電機每相的磁鏈和其對應的反電動勢在每個極距（也就是360度）內為正弦波形式。由于具有良好的正弦波形式，因此可以用三相正弦交流電流驅動開關磁通永磁同步電機，而且FSPM在電機交流驅動領域應用前景非?？春?。

2　FSPM電機矢量控制技術研究

矢量控制的核心是將電機定子繞組中的三相正弦定子電流ia、ib 和ic，如圖2.1，假想的變換為d、q同步旋轉坐標系的兩直流分量電流id和iq，按照作用定義id為勵磁分量，iq為轉矩分量。其目的是將交流電機的控制方法比作直流電機的控制方法，進而通過控制直流電機的方法控制交流電機。我們知道直流電機的控制方法相對簡單，可以通過分別控制勵磁分量和轉矩分量驅動電機調速運行，因此這種變換方式的好處就是控制更加簡便。然而這種等效變換后的直流分量僅僅是假象的分量，實際并不存在，實際中電機定子繞組中的驅動電流仍然是交流電流，因此需要根據電機運行所需要id和iq以及電機轉子的位置進行逆變換從而得到實際的正弦驅動電流。通過這種等效變換的方法實現了開關磁通永磁同步電機的矢量控制。開關磁通永磁同步電機定子上電流、電動勢和磁動勢等重要的物理量都是交流形式的物理量，這些交流量的控制以及計算對我們造成了很大的不變。這些交流物理量通過坐標變換變為旋轉坐標系下的直流分量，從而使得我們在同步旋轉坐標系上進行分析時，開關磁通永磁同步電機的各個物理量變為靜止的直流分量。通過調節變換后的直流分量，就能夠控制FSPM電機的速度與電磁轉矩。除了控制方式的簡化外，矢量控制還有著提高轉矩性能、增加調速范圍等優點。

圖2.1 電機的空間矢量圖

圖2.2　硬件系統圖

開關磁通永磁同步電機的矢量控制系統主電路主要由開關磁通永磁同步電機和其驅動模塊逆變電路組成，其控制系統主要由系統控制電路、逆變器驅動電路和信號檢測與調理電路等構成。其硬件系統的組成如圖2.2所示。矢量控制系統主電路由380V交流電源供電，該三相交流電經過整流器件和濾波器件形成平滑的直流供電電壓，通過控制和驅動電路將該電機供電電壓變換為頻率可調的三相交流電壓，從而帶動開關磁通電機以設定的速度運行。對于系統中電機的閉環調速功能，我們通過設置于電機轉子上的增量式光電編碼器，同步檢測并反饋電機的實時速度，并根據電機的實時轉速與設定速度的偏差調節電機電流頻率及大小。系統的核心芯片采用德州儀器公司的TMS320LF2812，該芯片輸出3.3V高電平的PWM脈沖信號，并通過信號調理電路與驅動電路從而驅動IGBT專用驅動芯片的的開關動作，進而驅動IGBT的開關。該系統通過TMS320LF2812上的JTAG接口，將在代碼下載至芯片中，并且在電機正常運行時，DSP和上位機通過串口實現數據的實時通信，可以實時的采集電機運行的參數。

為了使本實驗所用電機平穩的運行，除了對硬件電路系統進行系統的設計外，必須對系統控制核心軟件部分進行研究。在本系統中，TMS320LF2812承的作用相當于系統神經中樞，管理著系統的運行及反饋。由于該系統需要對設定速度具有較為快速的反應，并且調速過程要求穩定，因此最基本的需求是系統中斷周期盡可能的短。系統軟件部分主要包括主程序、中斷程序和PID閉環調節。在對系統程序進行編寫的過程中要充分利用TMS320LF2812豐富的資源，系統的編程應按照模塊化的思想，以便系統的拓展和修改，并且增加系統的可移植性。

3結論

本文的創新和特色在于探討一種全新寬調速電機的運行機理、分析理論和控制策略，將非線性控制方法引入FSPM電機的控制，并以DSP為核心構建全數字化FSPM電機驅動系統，實現FSPM電機的高效率、寬調速運行，為FSPM電機驅動系統的實際應用打下堅實的理論和技術基礎。這在國際同類研究中處于前沿，不僅有重要學術意義，而且有很好的應用前景。

參考：

[1]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].機械工業出版社， 1997.

[2]程明，周鶚.新型分裂繞組雙凸極變速永磁電機的分析與控制[J].中國科學，2001，3(3)229～237.

[3]程明，周鶚，蔣全.雙凸極變速永磁電機的靜態特性[J]. 電工技術學報，1999，14(5):10～13.

作者簡介：

田國華（1972.9.9-），男 籍貫：吉林省長春市，職稱：高級工程師，研究方向：裝備技術。