變頻調速永磁同步電機的矢量控制

蘇寶龍

(海軍駐哈汽軍事代表室，黑龍江哈爾濱150040)

變頻調速永磁同步電機的矢量控制

蘇寶龍

(海軍駐哈汽軍事代表室，黑龍江哈爾濱150040)

通過對變頻調速永磁電機矢量控制的介紹，論述了采用新的控制方法既矢量控制理論進行控制時，電動機具有和直流電動機類似的特性。通過改變電樞電流便可以實現對轉矩的控制。而其控制方法主要是恒轉矩控制和普通弱磁控制，其控制系統采用電流、轉速的雙閉環控制。

變頻調速；矢量控制；電流控制；控制系統

0 引言

采用矢量控制的通用變頻器不僅可在調速范圍上與直流電動機相匹配,而且可以控制永磁同步電動機產生的轉矩。由于矢量控制方式所依據的是被控永磁同步電動機的參數的準確性，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入永磁同步電動機的參數，有的通用變頻需要使用速度傳感器和編碼器。鑒于電機參數有可能發生變化，則會影響變頻器對電機的控制性能，目前新型矢量控制通用型變頻器中已經具備永磁同步電動機參數自動檢測、自動辨識、自適應功能，具備這種功能的通用變頻器在驅動控制永磁同步電動機進行正常運轉之前，可以自動地對控制永磁同步電動機的參數進行辨識，并根據辨識結果調整控制算法中的有關參數，從而對永磁同步電動機進行有效的矢量控制。

1 調速永磁同步電動機矢量控制原理

電動機的速度控制實際上是通過控制轉矩來實現的。在永磁直流電動機內，僅僅改變電樞電流便可以實現對轉矩的控制，這是因為，無論轉子在什么位置，電樞電流產生的磁動勢總與永磁磁場正交，轉矩可表示為

Tem=KTφfIa

(1)

式中，KT—比例常數；φf—永磁磁動勢產生的每極磁通，可認為是常數；Ia—電樞電流。

式(1)可以看出，通過控制直流電機的電樞電流便可控制轉矩，從而實現對直流電動機轉速的控制。與永磁直流電動機不同，調速永磁同步電動機的電樞反應磁動勢與永磁磁場不是正交，難以通過控制電樞電流來調節電動機的轉矩。但從靜止三相坐標系變換到坐標系后，永磁電動機的轉矩表達式為

Tem=p(ψdiq-ψqid)=p[Lmdifiq+(Ld-Lq)idiq]

(2)

式中，id、iq—定子d、q軸電流；ψd—定子直軸磁鏈，包括定子直軸電流產生的磁鏈和永磁體產生的磁鏈；ψq—定子交軸磁鏈，只包括定子交軸電流產生的磁鏈；Ld、Lq—定子繞組d、q軸電感；if—永磁體等效勵磁電流；其值為ψf/Lmd；ψf—永磁體基波磁場在定子繞組中產生的磁鏈；Lmd—d軸勵磁電感。

當Ld=Lq時，式(2)變為Tem=p(Lmdifiq)=pψfiq與式(1)的形式相同，其中交軸電流相當于永磁直流電動機中的電樞電流。可以通過調節交軸電流實現對轉矩及轉速的控制。當Ld≠Lq時，通過調節交直軸電流，不但可以利用磁阻轉矩加大轉矩輸出能力，還可以改變直軸磁鏈大小，從而實現永磁同步電動機的弱磁調速控制。總之，在永磁磁鏈和直、交軸電感確定后，電動機的轉矩取決于定子電流的空間相量is，而is的大小和相位又取決于id和iq，控制id和iq便可以控制電動機的轉矩。一定的轉速和轉矩對應于一定的直交軸電流給定值id′和iq′，通過適當的控制，使實際直交軸電流id和iq跟蹤id′和iq′，便可以實現調速永磁同步電動機轉矩和轉速的控制。

2 永磁同步電動機的電流控制方法

2.1 恒轉矩控制

恒轉矩控制一般采用最大轉矩/電流比控制，此時直、交軸電流滿足式(3)

(3)

式中，is—d、q坐標系下電樞電流值,可為逆變器電流容量的任何允許值。由逆變器容量決定的電樞電流最大值用ilim表示。在恒轉矩控制過程中，隨電動機轉速的升高，電樞繞組電動勢增大。當增大到逆變器最高輸出電壓(即電機的極限電壓)ulim時，電機轉速達到恒轉矩控制時的最高轉速，該轉速定義為電機的轉折轉速，以電角速度ωb表示。由式(3)和式(4)可得轉折轉速ωb的方程式

(4)

式中，ud、uq—定子d、q軸電壓；r1—定子繞組相電阻。

當ρ≠1時

(5)

當ρ=1時,最大轉矩/電流比控制即位為id=0控制,轉折轉速為

(6)

通過上式可知，電機恒轉矩控制過程中，輸出的轉矩保持不變，功率線性增加并在轉折轉速時達到最大值。

2.2 普通弱磁控制

當電機轉速增至轉折轉速時，要繼續增加轉速就必須采用弱磁控制，永磁同步電動機的弱磁控制來自他勵直流電動機的勵磁控制。他勵直流電動機轉速隨端電壓的升高而升高，當端電壓達到極限值時，如果再升高轉速，必須降低電動機的勵磁電流，使磁場減弱，才能保證電動勢和電壓的平衡。永磁同步電動機的勵磁磁動勢由永磁體產生而無法調節，只有通過調節定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運行時電壓的平衡，達到弱磁擴速的目的。

在弱磁調速過程中，電機的電壓保持其極限值ulim不變，因此由電壓方程式可得到電動機運行于某一轉速ω時的交、直軸電流。通常當ψf/Ld>is時，有

(7)

當ψf/Ld≤is時，有

(8)

2.3 最大輸入功率弱磁控制

當ψf

(9)

當ρ≠1時,

當ρ=1時,Δid==0

3 調速永磁同步電動機矢量控制系統

通過上述調速永磁同步電動機的電流控制方法可以看出,各電流控制均是基于對其幅值和相位的控制,即對定子電流矢量的控制,調速永磁同步電動機矢量控制系統如圖1所示。

圖1 調速永磁同步電動機矢量控制系統簡圖

指令速度ω′與實際反饋速度ω的差值作為速度PI調節器的輸入，其輸出經限幅后作為電機交軸給定電流iq′；由電機實際轉速確定的直軸給定電流id′連同交軸給定電流iq′經坐標變換(坐標變換所需的位置信號由位置檢測元件獲得)得到三相給定電流ia′、ib′、ic′，這一給定電流與實際反饋電流ia、ib、ic進行滯環比較，得到逆變器功率管的驅動信號，進而實現對電機轉速、電流的雙閉環控制，即可完成矢量控制。

4 結語

綜上所述，由于調速永磁同步電動與普通異步電動機的控制模式不同,它需要對磁極位置進行整定,因此,應用普通的帶矢量控制功能的變頻器驅動調速永磁同步電動機必須使用編碼器，同時，而且變頻器也是閉環帶PG矢量控制的, 運行前變頻器需要自學習,確定編碼器零位。只有這樣, 才能使用普通的帶矢量控制功能的變頻器驅動調速永磁同步電動機。

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[2] 嚴冠豪，劉園，楊俊飛.變頻電機軸電流的分析.防爆電機，2014.5.

[3] 李吉貴，胡佳奇.變頻調速三相異步電動機的試驗.防爆電機，2013.5.

Vector Control of Variable-Frequency Adjustable-Speed Permanent Magnet Synchronous Motor

SuBaolong

(Military Delegate Office of Navy in Harbin Turbine Company Limited, Harbin 150040, China)

Based on the introduction of vector control of variable-frequency adjustable-speed permanent magnet synchronous motor, this paper expounds that characteristics of this kind of motors are similar to that of dc motors when a new control method ( i.e. vector control theory) is adopted. Changing the armature current of the motor can achieve the control of torque, its control method mainly is constant torque control and common weak magnetic control, and its control system adopts doubly-closed loop control of current and speed.

Variable-frequency adjustable-speed；vector control；current control；control system

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.12

TM344.6

B

1008-7281(2017)02-0040-003

蘇寶龍 男 1976年生；畢業于哈爾濱工程大學核工程專業，現從事動力設備質量監督工作.

2017-03-30