淺談永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究的意義

湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 何湘龍

永磁同步電動機是一種利用永磁材料產(chǎn)生磁場、使得同步轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)速相等的特種電機，擁有功率密度大、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、響應(yīng)速度快等特點，在各個生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，包括汽車、機器人、醫(yī)療器械、機床等。它的出現(xiàn)極大地促進了社會生產(chǎn)力的發(fā)展，同時也促進了永磁同步電機控制系統(tǒng)的更快發(fā)展。

永磁材料方面：上世紀50年代第一代永磁材料鐵氧體BaFe12O19被開發(fā)出來，由于其具有高的矯頑力和明顯的磁晶各向異性，掀開了磁性材料新篇章。六、七十年代科學(xué)家相繼開發(fā)出SmCo5和Sm2Co17永磁材料，將稀土元素和3d 過渡族元素結(jié)合起來，提高了永磁體的磁特性，被稱為第二代永磁材料。到了上世紀80年代中期，第三代磁性材料的研究與開發(fā)給永磁同步電機發(fā)展帶來了革命性的變化。我國擁有世界第一的稀土資源，是名符其實的稀土資源大國，擁有著大量的永磁材料等優(yōu)質(zhì)資源。豐富的原材料使我國在生產(chǎn)釹鐵硼磁體上擁有巨大優(yōu)勢。近些年來多所大學(xué)和研究所如沈陽工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中理工、清華大學(xué)相繼進行稀土永磁電機的研究，取得了不少成果[1]。

控制理論方面：對永磁同步電機控制主要有電機的啟動，調(diào)速和制動三個方面，常用控制方式有PID 控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法控制等。國內(nèi)外最經(jīng)典的控制方法就是PID 控制，PID 控制器的表達式為：

它可同時改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能，但前提是合理選擇Ti 和Td。

1 研究的目標與內(nèi)容

通過對永磁同步電機所使用的永磁材料、所設(shè)計的電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)及所利用到的控制理論進行研究，設(shè)計出一套最優(yōu)化矢量控制的電機控制系統(tǒng)，使其具有高效、節(jié)能的特點，廣泛應(yīng)用在中石化等化工企業(yè)。研究內(nèi)容如下。

優(yōu)化生產(chǎn)領(lǐng)域所使用的永磁同步電機的結(jié)構(gòu)。永磁同步電機和其它電機一樣，主要結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子兩個部分。定子與轉(zhuǎn)子間存在氣隙。其中定子部分是指電機運行時不動的部分，由定子鐵芯、機座和三相對稱電樞繞組等部分組成。一方面解決永磁同步電機的鐵損問題，可采用疊片結(jié)構(gòu)，繞組嵌放在鐵心的槽中。轉(zhuǎn)子主要由永磁體、轉(zhuǎn)軸和導(dǎo)磁軛構(gòu)成，主要作用在電動機氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁場強度；另一方面解決永磁同步電機散熱的問題，轉(zhuǎn)軸上留有傾斜式導(dǎo)熱槽，加大電機散熱面積[2]。

研究坐標變換和永磁同步電機數(shù)學(xué)建模的步驟。在對各個坐標系變換時應(yīng)遵守如下原則：確定電流變換矩陣時，應(yīng)遵循變換先后所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場等效的原則；計算電壓變換矩陣和阻抗變換矩陣時，應(yīng)遵守變換前后電動機功率不變的原則；為了矩陣運算的簡單、方便，要求電流變換矩陣是正交矩陣。永磁同步電機數(shù)學(xué)建模步驟：計算轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢和定子電樞反應(yīng)磁動勢轉(zhuǎn)矩分量相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，也是同步電機主要的電磁轉(zhuǎn)矩；由分解有凸極效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻變化在電樞反應(yīng)磁動勢作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩；合成樞反應(yīng)磁動勢與阻尼繞組磁動勢相互作用的轉(zhuǎn)矩。在沒有阻尼繞組或穩(wěn)定運行情況下，阻尼繞組中沒有感應(yīng)電流。

圖1 帶有阻尼繞組的同步電機物理模型

研究矢量控制的數(shù)字化實現(xiàn)策略。常見的PWM 控制技術(shù)有正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)、電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)和電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)。項目注重研究電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)，研究包括電壓矢量所在扇區(qū)的確定；基本電壓矢量作用時間的選擇；計算空間電壓矢量的切換點。在對永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型進行旋轉(zhuǎn)兩相坐標系分析時，定子電流被分解相互垂直的兩個分量id、iq，即是對系統(tǒng)進行解耦。解決了對這兩個變量實行不同控制的問題，得了到不同的控制策略。控制策略有四種：id=0控制、cosφ=0控制、最大轉(zhuǎn)矩電流比控制、弱磁控制[3]。

永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。項目設(shè)計將把整個硬件系統(tǒng)分割成驅(qū)動電路、控制電路、傳感器部分、人機接口和PMSM 等幾部分。根據(jù)各個部分的需求來安排電路設(shè)計，解決stm32、IPM、傳感器相互間電平變化和驅(qū)動能力的問題，最后設(shè)計出硬件電路的總體框圖。所設(shè)計數(shù)字控制系統(tǒng)硬件優(yōu)點：控制器的體積小、重量輕、功耗低、硬件成本低；IC 集成度高，外部接線少，可靠性更加高；不像模擬器件一樣受外部條件影響十分明顯；可通過軟件實現(xiàn)復(fù)雜的算法，因此數(shù)字系統(tǒng)有很強的適應(yīng)能力。項目研究將以微處理芯片為主，搭建一個充分利用其片上資源的矢量控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)將要達到電機啟動、制動、調(diào)速、保護等一系列功能。

圖2 擬完善的硬件總體框圖

永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)軟件平臺的搭建。項目研究以Keil uVision2開發(fā)軟件為載體進行系統(tǒng)控制程序設(shè)計，因其兼容單片機C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，同時保留了匯編代碼高效、快速的特點，包括編譯器、匯編器、實時操作系統(tǒng)、項目管理器、調(diào)試器等集成開發(fā)環(huán)境。

2 項目創(chuàng)新之處及研究的意義

項目研究的對象為化工企業(yè)（重污染、高危險、省支柱產(chǎn)業(yè)）生產(chǎn)車間中的永磁同步電機，項目將優(yōu)化永磁同步電機的結(jié)構(gòu)，使其具有高效、節(jié)能的特點，符合國家節(jié)能減排、綠色環(huán)保的政策；在設(shè)計永磁同步電機系統(tǒng)控制方案時，利用現(xiàn)代先進的控制理論——矢量控制；設(shè)計永磁同步電機控制的硬件系統(tǒng)，同時通過校企合作和企業(yè)一線技術(shù)骨干的參與研究，項目組能接觸到工業(yè)生產(chǎn)一線的資料，項目能在充分實踐的基礎(chǔ)上進行，使項目具有良好的可行性和實用性；設(shè)計出完整軟件控制程序，具有良好的人機交流界面，可操作性強。

近年來在電機控制界刮起了矢量控制技術(shù)潮流。矢量控制系統(tǒng)是指利用電機繞組中的有關(guān)電信號，通過恰當?shù)姆椒ㄓ嬎愠鲛D(zhuǎn)子的位置和速度并以此取代機械傳感器的作用，以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。這項技術(shù)使得設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)降低成本，系統(tǒng)參數(shù)辨識不受外界因素變化的影響，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

一方面，石化企業(yè)生產(chǎn)車間一般屬于易燃易爆的危險環(huán)境，普通的直流電機在運行中進行機械轉(zhuǎn)向時要通過電刷，產(chǎn)生的電火花很有可能引發(fā)危化品大爆炸等危險，現(xiàn)實的需要對電機的發(fā)展提出更高要求，因此對永磁同步電機的研究，使其從外觀與結(jié)構(gòu)上來說體積小、易操作、易散熱、易維護；從功能上來說運行效率高、功率因數(shù)高、功率密度高、體積小、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動慣量低，有著極其重要的現(xiàn)實意義。

另一方面，企業(yè)的生產(chǎn)很多情況下是一種能量的轉(zhuǎn)換，如電機就能將電能轉(zhuǎn)換為機械能。但在節(jié)能減排的今天，能量轉(zhuǎn)換的效率是考慮的一個重要性能指標，電機的控制策略、能量轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展的優(yōu)劣直接影響轉(zhuǎn)換效率的大小，因此永磁同步電機控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計將對人類社會生產(chǎn)與生活的影響深遠。總之，對永磁同步電機控制技術(shù)進行研究是有意義、有價值的。