改進(jìn)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制精度的措施

自20世紀(jì)60年代末以來(lái)，面向磁場(chǎng)的矢量控制一直是交流電機(jī)控制的主流。這樣的控制方法的主要特點(diǎn)是對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分開(kāi)控制。對(duì)于永磁同步電機(jī)，典型的控制設(shè)計(jì)就是考慮恒定的磁通會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt，該常數(shù)在大多數(shù)電機(jī)的技術(shù)手冊(cè)中都能找到。獲得需要的轉(zhuǎn)矩m所對(duì)應(yīng)的電流iq也由此計(jì)算得到。但是，輸出轉(zhuǎn)矩和相應(yīng)的電流iq之間的這種恒定關(guān)系的可信度很容易受到各種各樣的實(shí)際因素的負(fù)面影響，這樣的影響很容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩控制中所不能接受的精度偏差。一些容易影響的實(shí)際因素如下：

●產(chǎn)品出廠過(guò)程與材料的老化；

●鐵心材料在過(guò)載時(shí)飽和；

●磁阻轉(zhuǎn)矩變化；

●電樞（磁性材料）的溫度。

磁材料（磁介質(zhì)）的分散性導(dǎo)致的實(shí)際轉(zhuǎn)矩常數(shù)與數(shù)據(jù)手冊(cè)上的數(shù)值偏差可能會(huì)超過(guò)5%。更嚴(yán)重的是通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)時(shí)間，永磁電機(jī)的磁場(chǎng)會(huì)下降幾個(gè)百分點(diǎn)。由于這樣的變化通常十分緩慢，一種電機(jī)離線參數(shù)辨識(shí)（將在“一種電機(jī)模型的預(yù)辨識(shí)系統(tǒng)”部分中討論）將解決這一問(wèn)題。

與此形成鮮明對(duì)比的是，在過(guò)載時(shí)，由于鐵心飽和造成的輸出轉(zhuǎn)矩降低會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，而且降低量最多時(shí)會(huì)達(dá)到20%。圖1所示的即為某額定轉(zhuǎn)矩mn＝23nm，額定轉(zhuǎn)速nn＝2000r/min的永磁同步電機(jī)運(yùn)行在不同轉(zhuǎn)速條件下所測(cè)得的轉(zhuǎn)矩精度。這臺(tái)電機(jī)未采取任何精度改進(jìn)措施。這次的測(cè)量數(shù)據(jù)將為評(píng)價(jià)后面提到的精度改進(jìn)策略提供參考。


圖1 轉(zhuǎn)矩精度（對(duì)比參照）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過(guò)圖2所示的測(cè)試裝置采集到的。圖中右側(cè)的被測(cè)試電機(jī)運(yùn)行在轉(zhuǎn)矩控制模式下，而左側(cè)的負(fù)載電機(jī)運(yùn)行在速度控制模式下。兩個(gè)電機(jī)通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)矩測(cè)量軸耦合。


圖2 轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置



實(shí)際的兩臺(tái)電機(jī)在設(shè)置點(diǎn)mset＝0nm處的相對(duì)轉(zhuǎn)矩要從被測(cè)試電機(jī)上的所測(cè)的轉(zhuǎn)矩曲線中減去。因?yàn)檫@一轉(zhuǎn)矩在后來(lái)的研究中被當(dāng)作是對(duì)運(yùn)行中的摩擦轉(zhuǎn)矩所抵消。而且，除了黏性摩擦之外的其他因素也是存在于這個(gè)系統(tǒng)中的，但以上的假設(shè)（相對(duì)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償摩擦）是實(shí)際自動(dòng)辨識(shí)系統(tǒng)的執(zhí)行原則，是正確的。

很明顯，圖1所示的轉(zhuǎn)矩精度是與速度無(wú)關(guān)的。電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)的特性出現(xiàn)偏差，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩的脈動(dòng)影響到凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)角。在2000r/min的轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩精度偏差在2.3mn處發(fā)生了轉(zhuǎn)向，這是由于電機(jī)此時(shí)開(kāi)始顯示去磁特性并且沒(méi)有考慮磁阻轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)出現(xiàn)去磁效應(yīng)時(shí)，磁場(chǎng)產(chǎn)生的電流id將不能被忽略。這時(shí)的關(guān)鍵是考慮電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩的影響，從而獲得一個(gè)準(zhǔn)確的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值mact，如公式（1）中所示。但是，通常來(lái)說(shuō)，磁阻轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt,rel在電機(jī)的數(shù)據(jù)手冊(cè)中不提供，因而必須通過(guò)參數(shù)辨識(shí)的方式獲得。如果電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)為零，高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩就會(huì)出現(xiàn)大的偏差，如圖3所示。

mact＝ktiq－kt,reliqid （1）


圖3 在弱磁范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩精度

更重要的是，實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)于一些高轉(zhuǎn)速的主軸電動(dòng)機(jī)，公式（1）并不適用。在這種情況下，“多項(xiàng)式離線自適應(yīng)控制系統(tǒng)”中討論的離線自適應(yīng)策略將不能用，必須用到在線自適應(yīng)策略。

當(dāng)遇到電機(jī)電樞溫度變化較大時(shí)，只有在線自適應(yīng)策略是有效的。使用釹鐵硼nd2fe14b磁性材料的永磁同步電機(jī)每100k的溫度變化會(huì)有約4%的磁鏈損失。老式的使用釤鈷smco5磁性材料的永磁同步電機(jī)每100k溫度變化的磁鏈損失甚至達(dá)到10%。

一種電機(jī)模型的預(yù)辨識(shí)系統(tǒng)

獲取電機(jī)的定子電阻與電感參數(shù)是電機(jī)模型辨識(shí)的第一步，因?yàn)檫@是進(jìn)一步識(shí)別電機(jī)參數(shù)的前提條件。這兩個(gè)參數(shù)可以通過(guò)靜態(tài)電機(jī)測(cè)量方法獲得，如例二中使用正弦測(cè)試電流。但是，對(duì)于轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt的測(cè)量就只能在電機(jī)加速時(shí)進(jìn)行了，因?yàn)檫@套辨識(shí)系統(tǒng)是基于輸送到電機(jī)上的實(shí)測(cè)有功功率和軸輸出功率工作的。所以，要測(cè)得轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt，需要先測(cè)得有功功率。有功功率需要電機(jī)以額定轉(zhuǎn)矩電流從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速，并且在一個(gè)產(chǎn)生足夠大電動(dòng)勢(shì)的速度下才可測(cè)得。求得電阻損耗以及實(shí)際轉(zhuǎn)速nact和實(shí)際轉(zhuǎn)矩mact才能確定轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt。

對(duì)于在d軸和q軸電感不同的電機(jī)，確定磁阻轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt,rel就相當(dāng)重要了。

在電機(jī)參數(shù)辨識(shí)之后，電機(jī)將按附表參數(shù)下運(yùn)行：

圖4顯示在電機(jī)參數(shù)辨識(shí)之后的轉(zhuǎn)矩精度，從圖中可以看到，在額定轉(zhuǎn)矩的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩偏差已經(jīng)縮小到2%以內(nèi)。


圖4 電機(jī)參數(shù)辨識(shí)后的轉(zhuǎn)矩精度