永磁同步电动机控制策略

1、永磁同步电动机控制策略综述1引言近年来，随着电力电子技术、 微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发 展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。因此，这里对永磁同步电机的控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向。2永磁同步电动机的数学模型当永磁同步电动机的定子通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组， 并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速

2、旋转。电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外，转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势。 为了便于分析，在建立数学模型时，假设以下参数 2-3:忽略电动机的铁心饱和； 不计电机中的涡流和磁滞损耗； 定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆按正弦分布，即忽略磁场中所有的空间谐波；各相绕组对称，即各相绕组的匝数与电阻相同，各相轴线相互位移同样的电角度。在分析同步电动机的数学模型时，常采用两相同步旋转(d, q)坐标系和两相静止(a ,B )坐标系。图1给出永磁同步电动机在(d, q)旋转坐标系下的数学模型 4。(1) 定子电压

3、方程为：up d rid tqf (1)Uq 二 P*q 叽( 2)式中：r为定子绕组电阻；p为微分算子，p=d/dt ； id , iq为定子电流；Ud , Uq为定子电压；*d , '- q分别为磁链在d, q轴上的分量;f为转子角速度np )； np为电动机极对数。(2) 定子磁链方程为：d 二 Ld id 宀 f (3)二 Lqjq式中： f为转子磁链。(3) 电磁转矩为：Tem =门卩仏- d T/ q)二 “p'- fiq (LLq)idiq( 5)(4) 电动机的运动方程为：Jd_式中：J为电机的转动惯量。若电动机为隐极电动机，则 Ld =Lq，选取id , iq

4、及电动机机械角速度，为状态变量,由此可得永磁同步电动机的状态方程式为:idiq-Rs/L0J/L 'np価-Rs/Lf屮 j/Liq+Uq/L0n p屮f/J-B/ Jf/J丿(7)id， iq ,之间存在由式（7）可见，三相永磁同步电动机是一个多变量系统，而且非线性耦合关系，要想实现对三相永磁同步电机的高性能控制，是一个颇具挑战性的课题。3永磁同步电动机的控制策略任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差 90°，因此可以独立调节；交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直， 互相影响。因此，长期以来，交流电动机的转矩控制性能较

5、差。经过长期研究，目前的交流 电机控制有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等方案。3.1恒压频比控制恒压频比控制是一种开环控制。它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望 的输出电压Uout进行控制，使电动机以一定的转速运转。在一些动态性能要求不高的场所,由于开环变压变频控制方式简单，至今仍普遍用于一般的调速系统中，但因其依据电动机的稳态模型，无法获得理想的动态控制性能，因此必须依据电动机的动态数学模型。永磁同步电动机的动态数学模型为非线性、多变量，它含有3与id或iq的乘积项，因此要得到精确的动态控制性能，必须对和id , iq解耦。近年来，研究各种非线性控制器用于解决永磁同步电动机

6、的非线性特性。3.2矢量控制高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持，对于交流电动机，目前使用最广泛的当属矢量控制方案。自1971年德国西门子公司F.BIaschke提出矢量控制原理，该控制方案 就倍受青睐。因此，对其进行深入研究5。矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特性。因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置（频率和相位）的控制。矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是 对

7、id , iq的控制。由于定子侧的物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，因此调节、控制和计算都不方便。需借助复杂的坐标变换进行矢量控制，而且对电动机参数的依赖性很大，难以保证完全解耦，使控制效果大打折扣。3.3直接转矩控制直接转矩控制（Direct Torque Control , 简称DTC）是20世纪80年提出的交流电机高 性能控制策略，它采用定子磁链定向和空间矢量概念，通过检测定子电压、电流,直接在定子坐标系下观测电机的磁链、 转矩,并将此观测值与给定磁链、转矩相比较，差值经滞环控制器得到相应控制信号,再综合当前磁链状态来选择相应电压空间矢量，实施直接对电机转矩的控制。3.3

8、.1直接转矩控制的基本原理在生产工艺中，控制和调节电动机的转速是最终目的。然而，转速是通过转矩来控制的，电机转速的变化与电机的转矩有着直接而又简单的关系，转矩的积分就是电机的转速，积分时间常数由电机的机械系统惯性所决定，只有电机的转矩影响其转速。可见如何有效地控制和调节电机的转矩是控制和调节电机转速的关键。在直接转矩控制中，其控制机理就是通过电压空间矢量来控制的旋转速度从而改变定 子、转子磁链矢量之间的夹角，达到控制电动机转矩的目的。Tei =Km：s（t） ',）二心* 2阮（*"'/）根据定子磁链与电压空间矢量之间的关系（忽略定子电阻压降的影响），可知定子磁链空间

9、矢量与电压空间矢量之间存在积分关系。定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹对应于此时作用于定子的电压空间矢量的方向。当逆变器给电动机施加某一非零电压空间矢量时， 会使定子磁链的旋转速度增加， 这个期间转子磁链仍然以定子磁链旋转角频率的平均值匀速 旋转，使得定子、转子磁链的夹角增加从而增大转矩；相反当逆变器加在定子上的电压空间矢量为零矢量时，定子磁链电压矢量则不运动，因而使得转矩减小。 这样通过定子磁链电压矢量的走走停停达到改变转矩的目的。直接转矩直接转矩控制系统是由电动机、逆变器、转矩调节器、磁链调节器、扇区判断模块和电压空间矢量表等几部分组成。其中，电压空间矢量的选取一般是通过查表的方式完成的

10、。两电平逆变器可产生8个不同的电压空间矢量， 分别对应逆变器的8种开关状态。通 过不同的电压空间矢量的选取，就可以改变逆变器的开关状态，也就改变了永磁同步电动机的输入电压，从而实现对永磁同步电动机的直接转矩控制。332逆变器的八种开关状态电压源型逆变器有三组，六个开关（SA SB SC SA SB SC）组成，如图1所示。状态01234567SA0101010100110011Sc000011113.3.3永磁同步电机直接转矩控制仿真系统的组成图2为永磁同步电机直接转矩控制系统结构图，为定子磁链自控制与转矩自控制的双闭环控制系统。图2永磁同步电机直接转矩控制系统系统利用电压、电流传感器检测定子

11、两相电压（ua、ub）和电流（ia、ib）,通过Park变换将定子三相变量变换为定子a、3坐标系中的两相分量，以利于进一步计算。定子磁链分量可通过磁链观测器而得到：'-，(V,-R,)dt1 = (V; - Ri Jdt转矩观测器的算法：3T =2PCJ)3.3.4系统仿真结果分析电机参数如下：极对数p=3,定子电阻R=0156Q,电势常数Ke=64V/1000r -min-1,额定磁链f =0.42Wb,直轴电感Ld=0.155mH,交轴电感Lq=01155mH额定线电压U=128V,额定转矩n=10N - m,额定转速 n=2000r/min。本文利用软件MATLAB/ SIMUL

12、 INK工具对永磁同步电机的直接转矩控制作了仿真，速度开环、转矩闭环、磁链闭环的DTC仿真框图如图3所示。仿真条件为给定直流电压为额定电压300V ,给定定子磁链为额定值，转矩指令在10100 029 0 030 0.031 0 032 0X)33 0.034图5 PMSM转矩响应曲线图示表明，永磁同步电动机转矩能快速跟随给定转矩。从图中同时也可以看出，转矩直接控制的转矩脉动比较大，这是由于直接转矩控制的本身特性决定的，常规直接转矩控制在采用两值滞环控制器和反电压空间矢量来获得转矩响应快速性的同时牺牲了系统的稳定性。永磁同步电机直接转矩控制是通过控制逆变器输出的电压矢量，控制定子磁链矢量的大小

13、和转速，改变它与转子磁链之间的瞬时夹角大小，从而达到转矩的动态控制，其机理清晰、控制简单、综合，易于微机数字实现。仿真结果证明 ，直接转矩控制方式下，永磁同步电机具有非常快速的转矩的响应，但同时系统的稳态性能也有待于改进。矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案。但因其需要复杂的矢量旋转变 换，而且电动机的机械常数低于电磁常数，所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩。针对 矢量控制的这一缺点，德国学者Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案，即直接转矩控制（DTC 6-7。该控制方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节，采取定子磁链定向的方法，利用

14、离散的两点式控制直接对电动机 的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点。DTC最早用于感应电动机，1997年L Zhong等人对DTC算法进行改造，将其用于永磁同步电动机控制，目前已有相 关的仿真和实验研究。DTC方法实现磁链和转矩的双闭环控制。在得到电动机的磁链和转矩值后，即可对永磁同步电动机进行DTC图2给出永磁同步电机的 DTC方案结构框图。它由永磁同步电动机、逆变器、转矩估算、磁链估算及电压矢量切换开关表等环节组成，其中ud，Uq，id，iq为静止（d，q）坐标系下电压、电流分量。虽然，对DTC的研究已取得了很大的进展，但在理论和实践上还不够成熟，例如：低速性能、带负载

15、能力等，而且它对实时性 要求高，计算量大。3.4解耦控制永磁同步电动机数学模型经坐标变换后，id，iq之间仍存在耦合，不能实现对id和iq的独立调节。若想使永磁同步电动机获得良好的动、静态性能，就必须解决id，iq的解耦问题8。若能控制id恒为0,则可简化永磁同步电动机的状态方程式为:iq'-Rs/L 卩即f / J-n f 心+'Uq/L ”（8）0丿u此时，id与iq无耦合关系，Te =n訂几，独立调节iq可实现转矩的线性化。实现id恒 为0的解耦控制，可采用电压型解耦和电流型解耦。前者是一种完全解耦控制方案，可用于对id，iq的完全解耦，但实现较为复杂；后者是一种近似解耦

16、控制方案，控制原理是：适当选取id环电流调节器的参数，使其具有相当的增益，并始终使控制器的参考输入指令 id* =0，可得到id :- id* =0，iq :"iq*，这样就获得了永磁同步电动机的近似解耦。图3给*出基于矢量控制和id =0解耦控制的永磁同步电动机调速系统框图。虽然电流型解耦控制方案不能完全解耦，但仍是一种行之有效的控制方法，只要采取较好的处理方式，也能得到高精度的转矩控制。因此，工程上使用电流型解耦控制方案的较多。然而，电流型解耦控制只能实现电动机电流和转速的静态解耦，若实现动态耦合会影响电动机的控制精度。另外，电流型解耦控制通过使耦合项中的一项保持不变，会引入一个

17、滞后的功率因数。以下具体介绍几种解耦控制：1永磁同步电机神经网络逆系统解耦控制神经网络逆系统解耦常采用由静态神经网络和若干积分器组成的动态神经网络来构造 连续系统的逆系统，对被控系统进行线性化并解耦4-5。根据永磁同步电机数学模型的可逆性分析，其相对阶是完备的，所以选择输入积分实现方式对永磁同步电机进行解耦控制， 其神经网络逆系统结构如图1所示。即将逆系统式(15)、(16)与永磁同步电机原系统复合成两个伪线性子系统，其中：伪线性转速子系统的输入输出为二阶线性积分关系；伪线性定子磁链子系统的输入输出为一阶线性积分关系，系统实现了输入输出的线性化解耦。在辨识永磁同步电机的神经网络逆系统时，本文选

18、用了三层前馈网络，节点数分别为： 输入层5个，隐含层9个，输出层2个，其隐含层神经元的激励函数为式(18)的单调光滑双曲正切函数，输出层由具有线性阈值激励函数的神经元组成6。2x_2xe -eg(xr(18)e +e选取足够的激励信号作为原系统的输入信号，以获取原系统的动静态特性。对于非线性、强耦合的多输入多输出系统， 选取的激励信号需要能够充分激励出原系统内部各状态间的耦 合关系。可以给出多组不同的激励信号：如幅值不同的随机方波在同一时刻改变幅值；幅值不同的随机方波在不同时刻改变幅值等。本文神经网络输入信号中定子磁链与转速信号、输出信号定子电压的d轴分量和q轴分量可在解析逆解耦控制中直接得到

19、，而定子磁链与转速的一、 二阶导数则是采用高精度数值算法离线计算得到。一般取数千组样本进行归一化，然后再从归一化后的样本里集中选取2/3进行训练，另外1/3用于泛化能力的校验。闭环控制器设计在实际应用中，由于受各种因素的影响， 神经网络逆系统与被控系统复合而成的伪线性 系统并不是一个简单、理想的线性系统，简单的将神经网络逆系统作为控制器来进行开环控 制，其控制效果往往不佳。为了使所设计的系统对模型参数及负载扰动具有较强的鲁棒性，并保证指令信号跟踪的无静差特性不受影响，本文采用鲁棒伺服控制器对伪线性子系统进行线性闭环控制器的设 计，形成鲁棒伺服控制系统 10。如图2所示。(1 )转速子系统为二阶

20、系统，线性化后为G(S)=d/s2，对其进行调节器设计，使闭环控制器为T(s(a0+a1s)/s，则系统的闭环传递函数选为(s)2严2(S 1)(S +2 nS 'n)(19)式中：为阻尼系数；-n为角频率。设期望转速为 2 000 r/min ,>=5, n=200 rad/s , Z =0.707 , k0 k1s，则参数 a。、a1、k°、k1可按下述公式计算:2a° =、；：冷2000002(20)- -n 40000k0 = 2 -门 n，"I =1414k = i 2-n =287.8(2) 磁链子系统为一阶系统，线性化后G(s) =1/

21、 S，对其进行调节器设计，使闭环控制器为T(s) =°，则系统的闭环传递函数选为(S)二S(21)取 a2=1 000，為=5, K=0O3.2控制系统框图综合转速子系统和定子磁链子系统，将逆系统模型和永磁同步电机原系统逆变器模型串联后，组成伪线性系统，再附加线性闭环控制器来实现对电机的更有效控制，系统结构如图3所示。4控制系统仿真试验图4是永磁同步电机工作在额定参数下、负载转矩为5 N?m时的定子磁链和转速响应仿真曲线。从图中可以看出，定子磁链在2 S时由0.8 Wb跟踪下降到0.4 Wb基本无超调；转速在2 s时由100 rad/s跟踪上升到180 rad/s，上升速度快，超调很

22、小。因此，基于鲁棒 伺服调节器的神经网络逆系统解耦控制方法具有良好的动态性能。为了检验神经网络逆系统解耦控制对负载扰动的鲁棒性，图5给出了负载变化时定子磁链和转速响应仿真曲线。当负载在1 s时由5 N?m突变到10 N?m,转速曲线在小范围波动后迅速恢复，定子磁链几乎没受到影响。为进一步验证系统的抗干扰能力，令负载从0到5 N?m的作周期性变化(如图6(a)，得到如图6(b)所示的转速响应曲线，表明神经网络逆解耦 控制系统具有很好的抗干扰能力。22(a)磁链响应曲线200(b)转速响应曲线0.20.01501005001.0080 1(a) 磁链响应曲线2003f s3r/s0 1(b) 转速

23、响应曲线6(a)负载输入曲线200150E 10050厂200(b)转速响应曲线2永磁同步电机的非线性自适应解耦控制影响基于非线性解耦控制的永磁同步电为了解决电机参数变化和负载扰动的不确定性、机调速系统性能的问题，提出了一种带干扰抑制的永磁同步电机调速系统非线性解耦控制 方法该方法利用非线性解耦控制理论的微分几何方法实现永磁同步电机调速系统转速和 磁链子系统的动态解耦，并结合自适应策略，将参数变化和负载转矩扰动作为扰动输入，设计了动态自适应状态反馈控制律和参数自适应规律应用Lyapunov稳定理论证明了算法的稳定性，并实现具有L2暂态性指标的渐进跟踪仿真和试验结果表明，该控制策略能有效地改善永

24、磁同步电机调速系统的动态性能，增强其鲁棒性和抗干扰的能力3永磁同步电机高性能电流反馈解耦控制技术要实现id三0的解耦控制，通常有两种方法：电压前馈解耦控制和电流反馈解耦控制。电压前馈控制是一种完全线性化的解耦控制方案，它能使id，iq完全解耦控制，然而难以在微处理器系统中实现；电流反馈解耦控制虽然是一种近似的解耦控制方案，得到的是近似的线性化解耦模型，但却是行之有效的方法，该方法不仅能获得快速高精度的力矩控制，而且控制电路简单，实现较方便，且三相永磁同步伺服电动机在动、静态均能得到近似解耦控 制。4结语上述永磁同步电动机的各种控制策略各有优缺点，实际应用中应当根据性能要求采用与之相适应的控制策略，以获得最佳性能。永磁同步电动机以其卓越的性能，在控制策略方面已取得了许多成果，相信永磁同步电动机必然广泛地应用于国民经济的各个