高性能交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)現(xiàn)狀

1概述

　　在中小容量高精度傳動(dòng)領(lǐng)域，廣泛采用永磁式同步電機(jī)，可用在轉(zhuǎn)子上加永磁體的方法來產(chǎn)生磁場。由于永磁材料的固有特性，它經(jīng)過預(yù)先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場。這既可簡化電機(jī)結(jié)構(gòu)，又可節(jié)約能量。

　　由于永磁同步電機(jī)閉環(huán)控制當(dāng)中需要電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，因此需要在電機(jī)軸上安裝機(jī)械位置傳感器。由于機(jī)械傳感器的存在，增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本，降低了系統(tǒng)魯棒性。永磁同步電機(jī)的無速度傳感器控制成為現(xiàn)今研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

　　2永磁式同步電機(jī)的特點(diǎn)及其分類

　　永磁式同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機(jī)相比，它沒有直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點(diǎn)。和異步電動(dòng)機(jī)相比，它由于不需要無功勵(lì)磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好；但它與異步電機(jī)相比，也有成本高、起動(dòng)困難等缺點(diǎn)。和普通同步電動(dòng)機(jī)相比，它省去了勵(lì)磁裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

　　近年來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價(jià)格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，加上永磁電機(jī)研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，經(jīng)大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，使永磁電機(jī)在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用。正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方面發(fā)展。目前，稀土永磁電機(jī)的單臺容量已超過1000KW，最高轉(zhuǎn)速已超過300000r/min，最低轉(zhuǎn)速低于0.01r/min，最小電機(jī)的外徑只有0.8mm，長1.2mm。

　　我國是盛產(chǎn)永磁材料的國家，特別是稀土永磁材料釹鐵硼資源在我國非常豐富，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的4倍左右，號稱“稀土王國”。稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國際先進(jìn)水平。因此，對我國來說，永磁同步電動(dòng)機(jī)有很好的應(yīng)用前景。充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應(yīng)用以稀土永磁電機(jī)為代表的各種永磁電機(jī)，對實(shí)現(xiàn)我國社會(huì)主義現(xiàn)代化具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

　　永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。這樣就造成兩種同步電動(dòng)機(jī)在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)，習(xí)慣上又把正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）調(diào)速系統(tǒng)；而由梯形波（方波）永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)。

　　永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)主要可分為：表面式和內(nèi)置式。在表面式永磁同步電動(dòng)機(jī)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這種電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體。

　　這種永磁電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機(jī)的性能有所不同。

　　3PMSM與異步電機(jī)及BLDCM矢量控制系統(tǒng)的比較

　　永磁同步電機(jī)與無刷直流電機(jī)有許多類似之處，轉(zhuǎn)子上均有永磁磁極，定子電樞需要交變電流以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，其主要區(qū)別是永磁同步電機(jī)的反電勢為正弦波，無刷直流電動(dòng)機(jī)的反電勢為梯形波。為了產(chǎn)生恒定力矩，永磁同步電機(jī)需要的定子電流為正弦波對稱電流，無刷直流電機(jī)需要的定子電流為方波電流。

　　由于電磁慣性，無刷直流電機(jī)的定子電流實(shí)際上為梯形波，而無法產(chǎn)生方波電流，并由集中繞組供電，所以無刷直流電動(dòng)機(jī)較永磁同步電機(jī)脈動(dòng)力矩大。在高精度伺服驅(qū)動(dòng)中，永磁同步電機(jī)有較大競爭力。在另一方面，永磁同步電機(jī)單位電流產(chǎn)生的力矩較無刷直流電機(jī)單位電流產(chǎn)生的力矩小。在驅(qū)動(dòng)同容量的電動(dòng)機(jī)時(shí)，永磁同步電機(jī)所需逆變器容量大并且需要控制電流為正弦波，開關(guān)損耗大很多。

　　無刷直流電機(jī)定子電流為方波，每相開通1200電角度，然后關(guān)斷600電角度。每600電角度有一個(gè)開關(guān)改變狀態(tài)，所以無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測器只需要每隔600電角度輸出一個(gè)脈沖。永磁同步電機(jī)定子電流為正弦波，定子電流瞬時(shí)值取決于轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置，所以必須連續(xù)地檢測轉(zhuǎn)子位置。

    永磁同步電機(jī)的交軸電抗和直軸電抗隨電機(jī)磁路飽和等因素而變化，從而影響輸出力矩的磁阻力矩分量。永磁同步電機(jī)對參數(shù)的變化較無刷直流機(jī)敏感，但當(dāng)永磁同步電機(jī)工作于電流控制方式時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩很小，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)對參數(shù)變化的敏感性與無刷直流機(jī)基本相同。

　　當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，無刷直流電機(jī)反電勢與直流母線電壓相同時(shí)，反電勢限制了定子電流。而永磁同步電機(jī)能夠采用弱磁控制，因此具有較大的調(diào)速范圍。

　　4永磁同步電機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　早期對永磁同步電機(jī)的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動(dòng)性能的研究。永磁同步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)是依靠阻尼繞組提供的異步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)加速到接近同步轉(zhuǎn)速，然后由磁阻轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)牽入同步。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在這方面做了大量的研究工作。

　　上個(gè)世紀(jì)八十年代國外開始對逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行深入的研究。逆變器供電的永磁同步電機(jī)與直接起動(dòng)的永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，但在大多數(shù)情況下無阻尼繞組。阻尼繞組有以下缺點(diǎn)：第一，阻尼繞組產(chǎn)生熱量，使永磁材料溫度上升；第二，阻尼繞組增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、使電機(jī)力矩慣量比下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機(jī)脈動(dòng)力矩增大。在逆變器供電情況下，永磁同步電機(jī)的原有特性將會(huì)受到影響，其穩(wěn)態(tài)特性和 暫態(tài)特性與恒定頻率下的永磁同步電機(jī)相比有不同的特點(diǎn)。一九八○年后發(fā)表了大量的論文研究永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性。A.V.Gumaste等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性。

　　隨著對永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能要求的不斷提高，需要設(shè)計(jì)出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機(jī)，G.R.Slemon等人針對調(diào)速系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)性能和高效率的要求，提出了現(xiàn)代永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法。

　　隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的全數(shù)字控制也取得了很大的發(fā)展。D.Naunin等研制了一種永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，采用了十六位單片機(jī)8097作為控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的全數(shù)字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等發(fā)表了大量關(guān)于永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)全數(shù)字控制的論文。

　　永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制器大多采用比例積分（PI）控制。PI控制器具有結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，對被控制對象參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。一九九一年，R.B.Sepe首次在轉(zhuǎn)速控制器中采用自校正控制。早期自適應(yīng)控制主要應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。國立臺灣大學(xué)劉天華等首次將魯棒控制理論應(yīng)用于永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。電機(jī)在運(yùn)行過程中，模型和參數(shù)是不斷變化的，參數(shù)和模型的變化將引起控制系統(tǒng)性能的降低?，F(xiàn)代控制理論中的各種魯棒控制技術(shù)能夠使控制系統(tǒng)在模型和參數(shù)變化時(shí)保持良好的控制性能性能。因此，將各種魯棒控制技術(shù)運(yùn)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，可以大大提高調(diào)速系統(tǒng)的性能。在這方面，運(yùn)用的較為成功的控制技術(shù)主要有：自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識技術(shù)等。

　　自適應(yīng)控制技術(shù)能夠改善控制對象和運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)控制系統(tǒng)的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)控制技術(shù)能夠使調(diào)速系統(tǒng)在電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)保持良好的性能?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制由于其特殊的“切換”控制方式與電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中逆變器的“開關(guān)”模式相似，并且具有良好的魯棒控制特性，因此，在電機(jī)控制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

　　通過對電機(jī)參數(shù)變化進(jìn)行在線辨識，并運(yùn)用辨識的參數(shù)對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，也能夠提高控制系統(tǒng)的魯棒性。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能控制已成為現(xiàn)代控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中運(yùn)用智能控制技術(shù)也已成為目前電氣傳動(dòng)控制的主要發(fā)展方向，并且將帶來電氣傳動(dòng)技術(shù)的新紀(jì)元。目前，實(shí)現(xiàn)智能控制的有效途徑有三條：基于人工智能的專家系統(tǒng)（ExpertSystem）;基于模糊集合理論（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork）的神經(jīng)控制。B.K.Bose等人從八十年代后期一直致力于人工智能技術(shù)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了可喜的研究成果。

　　5永磁同步電機(jī)無速度傳感器控制系統(tǒng)

　　在永磁同步電機(jī)控制當(dāng)中，需要檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度。需要在轉(zhuǎn)子軸上安裝機(jī)械式傳感器，測量電機(jī)的速度和位置（見圖1）。這些機(jī)械傳感器經(jīng)常是編碼器（Encoder）、解算器（Resolver）和測速發(fā)電機(jī)（Tachometer）。機(jī)械傳感器提供了電機(jī)控制所需的轉(zhuǎn)子信號，但也給調(diào)速系統(tǒng)帶來了一些問題：

　　1）機(jī)械傳感器增加了電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，加大了電機(jī)空間尺寸和體積。

　　2）機(jī)械傳感器的使用增加了電機(jī)與控制系統(tǒng)之間的連接線和接口電路，使系統(tǒng)易受干擾，降低了可靠性。

　　3）受機(jī)械傳感器使用條件如溫度、濕度和振動(dòng)的限制，調(diào)速系統(tǒng)不能廣泛適應(yīng)各種場合。

4）機(jī)械傳感器及其輔助電路增加了調(diào)速系統(tǒng)的成本，某些高精度傳感器的價(jià)格甚至可與電機(jī)本身價(jià)格相比。

　　為了克服使用機(jī)械傳感器給調(diào)速系統(tǒng)帶來的缺陷，許多學(xué)者開展了無機(jī)械傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)的研究。無機(jī)械傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)是指利用電機(jī)繞組中的有關(guān)電信號，通過適當(dāng)方法估計(jì)出轉(zhuǎn)子的位置和速度，取代機(jī)械傳感器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。

　　永磁同步電機(jī)無速度傳感器矢量控制技術(shù)的關(guān)鍵在于如何根據(jù)測量的電機(jī)電流和電壓信號，估計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。對于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以采用一些直觀的方法，即利用其特殊的電磁特性，來構(gòu)造速度和轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)方法，例如：計(jì)算定子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置來估計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置、計(jì)算定子相電感來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置等。同時(shí)，隨著現(xiàn)代控制、辨識技術(shù)的發(fā)展，為我們提供了許多可行的觀測器構(gòu)造方法來估計(jì)控制過程中的狀態(tài)變量或參數(shù)。在電機(jī)的無速度傳感器矢量控制技術(shù)中主要采用的觀測器有：全階狀態(tài)觀測器、自適應(yīng)觀測器、變結(jié)構(gòu)觀測器、卡爾曼濾波器等，采用這些方法構(gòu)造的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度觀測器具有動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)定性強(qiáng)。參數(shù)敏感性小等特點(diǎn)。隨著高速數(shù)字信號處理器 （DSP）技術(shù)的發(fā)展，使得各種具有優(yōu)良性能的速度觀測器能夠在無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中廣泛運(yùn)用?！?/p>