【永磁同步电动机开环控制方法的概述与研究现状的文献综述3600字】

永磁同步电动机开环控制方法的概述与研究现状的文献综述随着永磁同步电动机控制技术不断进步发展，逐渐形成了最为主流的矢量控制和直接转矩控制，以及被成熟应用于各种对调速性能要求不高等场合的开环控制和以模糊控制、神经网络控制为代表的现代控制四种控制技术[53]。开环控制是以电机的数学模型为研究基础，依据不同的研究对象设计不同的开环控制方案。同时，因开环控制与传统的闭环矢量控制不同，它仅是对参数的幅值和频率进行控制，控制结构并未引入其他反馈信息，所以其本质上是典型的开环控制方式[54-55]。开环控制系统的结构相对来说较为简单、同时具有电机参数精确度要求不高、整个控制方案中不需要采集转子位置信息等特点[56-57]。其相对简易的控制结构也使开环控制算法较为精简、程序运行耗时短，对控制系统处理器的计算压力相对较小。现阶段形成的主流开环控制策略有两种，即V/F控制和I-F控制。1.3.1V/F控制恒压频比控制一般被称作V/F控制，这种开环控制策略被广泛应用于感应电机的控制系统。该控制方法的基本思路是，首先根据电机的实际参数，结合具体应用工况绘制开环控制曲线，再通过控制曲线确定由变频控制模块通入被控电机的实际电压。由于整个控制回路并没有通过电机端引入定子电流和具体的转子位置等实时信息，所以这种控制策略从控制结构上来讲是一种完全意义上的开环控制[58-60]。开环V/F控制经历了多年的技术积累，同时又被大量应用于各种实际场景，其控制技术也相当丰富，是一种技术成熟且易于实现的电机开环控制方式。图1-3V/F控制框图由感应电机公式n=(60f/p)(1-s)可知，当电机转差率s变化量较小时，转速n基本上与供电频率f保持正比变化[61-62]。因此，若要进行电机调速就可以通过调节变频器供电频率f来实现。同时，在电机调速过程中，要保持电机励磁电流和功率因数基本不变，就需要通过保持磁通ϕ不变。以下分两种情况讨论：若磁通ϕ>ϕN（ϕN为额定磁通），就会造成电机磁路过饱和，同样的电机励磁电流将会随之上升，从而使电机功率因数进一步降低，严重时甚至烧毁电机；此外，当ϕ<ϕN时，就会导致电机可以输出的转矩T下降，从而造成对电机的输出功率不能完全利用。图1-4开环控制特性曲线所以电机采用开环V/F控制时，在通过改变变频器输出电压频率来实现电机调速的过程中只有使电机磁通保持为恒定不变的值，才能保证不会造成功率浪费和实现电机安全运行，故也可将恒压频比控制称为恒磁通控制。根据电机定子回路的电动势方程Uϕ≈4.44fNkWϕ(忽略定子电阻和漏感压降)可知，电机基频以下调速过程中，通常要求接入电机定子的电压幅值与其频率的比值是一个恒定的常数，进而以保持电机气隙中每极的磁通量近似维持在额定值附近且保持恒定，保证电机在带恒转矩负载条件下的调速性能。当电机在基频以上调速，此时继续使变频器供电频率上升，电机定子电压将不再随之上升，电机将在弱磁状态下运行[63-65]。根据永磁同步电动机转速严格与变频器供电频率保持同步的特点，通过控制给定频率就可以实现电机调速。所以，基于先前感应电机开环V/F控制策略的研究，提出了永磁同步电动机V/F控制策略，该方法同样可以实现对永磁电动机的调速控制，同感应电机控制类似，整个控制结构中并没有从电机端引入电流，转速以及转子位置等信息[66]。永磁同步电动机开环控制系统的特点是易于实现、程序简单、实用性强，在控制精度要求不高的应用场合优势突出。图1-5几种不同特性的V/F曲线对于感应电动机来说，在开环V/F控制下带载运行，当负载变化时，转子绕组中会感应生成电流让转子磁链改变适应负载变化，所以电机加载前后定子电压基本不变。但是，当开环控制的永磁同步电动机负载发生变化时，由于其不存在转子绕组且转子永磁体磁链不变，定子电压也会随之发生变化[67]。同时V/F控制曲线斜率设置需要考虑不同的运行工况否则会导致电机失步甚至引起过流。因此，永磁同步电机要想在开环运行方式下获得良好的控制性能，就需要不断试验绘制合适的V/F控制曲线[68]。对于大功率推进系统等对调速性能要求不高的应用场景，常采用永磁同步电动机开环控制系统，但一般的开环V/F控制因电机转子无阻尼绕组而易产生失步造成电机振荡，使系统稳定性降低。文献[69]以电机数学模型为基础，通过建立开环控制方式下的扰动模型来分析电机的运行稳定性，通过绘制控制系统的根轨迹来判别电机的稳定情况。同时，综合考量了电机本体参数以及转速、转动惯量和负载等因素对开环控制方式下电机运行稳定情况的影响，确定了电机稳定运行状态下各参数范围。文献[70]在传统开环控制的基础上引入一个通过瞬时有功功率调整定子电流频率的反馈环节，从而提高电机系统的转速收敛性。文献[71-72]首次采用了利用电机的瞬时有功功率扰动量构成反馈环节以此来改善永磁同步电机的开环控制策略，主要研究不同转速、负载对系统稳定性的影响。文献[73-74]通过利用电机的瞬时无功功率构成反馈环节来调制变频器输出电压的相角和幅值，获得了较好的控制效果。文献[75-77]利用瞬时有功功率和相角来调整输出电压的幅值和频率，有效改善了永磁同步电机开环V/F控制方式下的调速性能。但上述方法皆是适用于传统三相电机开环控制策略，并未对多相电机的开环控制方案进行研究，也未对上述调制反馈方法的有效性进行验证。1.3.2I-F控制永磁同步电动机在采用开环V/F控制时没有引入诸如电流、位置和速度等反馈量信息，从控制结构来说属于开环控制。因此在实际运行过程中，无法根据电机的实时转子信息来调整电机的运行状态，控制响应相对滞后，尤其是在电机起动阶段或者负载转矩发生较大变化时，容易导致电流过大，进而会引发系统过流保护动作或者造成功率器件损坏[77-80]。随后，在此基础上提出了开环I-F控制，因其采用电流闭环控制方法，避免了电流过大。文献[81-82]首次提出将I-F控制方法应用于永磁同步电动机的低速启动阶段的控制。文献[83]提出一种针对于永磁同步电机的电流矢量闭环的I-F控制方案，利用有功功率调节电流矢量的转速，利用无功功率调节电流矢量幅值，以此来提高开环控制系统的稳定性。I-F控制的基本思路是根据电机实际所带负载的转矩和转速特性，由变频器向电机输入与所带负载相匹配的电流，再输出电磁转矩拖动负载运行[84]。图1-3开环I-F控制结构框图由图1-3可以看出I-F控制是在矢量控制的基础上，利用控制结构中的电流回路，通过电机端的采样电路，将定子的电流信息反馈至控制端，通过此过程完成电流闭环。但整个控制过程并未对速度环做任何措施，从控制结构来说I-F控制仍属于开环控制范畴，同时由于电流闭环的存在，这种控制方法能对电机的过电流现象进行有效抑制。参考文献范昕.舰船永磁电机推进系统概述[J].船电技术,2012,32(09):46-49.陈锋,曹洪涛,刘洋,等.国外舰艇综合电力系统研究综述[J].舰船科学技术,2017,39(9):1-5.WardEE,HaRerH.Preliminaryinvestigationofaninvertor-fed5-phaseinductionmotor[J].ProceedingsoftheInstitutionofElectricalEngineers,2010,116(6):980-984.韩彦芳.电力推进装置在小型船舶上的应用[J].科技创新导报,2008(17):125-126.於锋.九相磁通切换永磁电机系统及容错控制研究[D].东南大学,2016.王晋.多相永磁电机的理论分析及其控制研究[D].华中科技大学,2010.薛山.多相永磁同步电机驱动技术研究[D].中国科学院研究生院（电工研究所）,2006.刘自程，李永东，郑泽东．多相电机控制驱动技术研究综述[J]．电工技术学报，2017，32(24)：17-29.LeviE,JonesM,VukosavicSN,etal.Modeling,Control,andExperimentalInvestigationofaFive-PhaseSeries-ConnectedTwo-MotorDriveWithSingleInverterSupply[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2007,54(3):1504-1516.Hyung-Min,Ryu,Jang-Hwan,etal.AnalysisofMultiphaseSpaceVectorPulse-WidthModulationBasedonMultipled-qSpacesConcept.[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2005,20(6):1364-1371.ZhengL,FletcherJE,WilliamsBW,etal.Dual-PlaneVectorControlofaFive-PhaseInductionMachineforanImprovedFluxPattern[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2008.赵品志,杨贵杰,李勇.三次谐波注入式五相永磁同步电机转矩密度优化[J].中国电机工程学报,2010,30(33):71-77.李永岗.多相感应电机容错运行及无速度传感器控制策略研究[D].中国矿业大学,2019.崔路.表贴式永磁同步电机的全速度范围无位置传感器运行研究[D].北京交通大学,2019.袁飞雄,黄声华,龙文枫.六相永磁同步电机谐波电流抑制技术[J].电工技术学报,2011,026(009):31-36.付家祥.九相感应电机对称缺相运行矢量控制[D].青岛大学,2019.LegaA,MengoniM,SerraG,etal.SpaceVectorModulationforMultiphaseInvertersBasedonaSpacePartitioningAlgorithm[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2009,56(10):4119-4131.边元均.船舶电力推进用九相永磁电机的驱动技术研究[D].华侨大学,2015.王铁军.多相感应电动机的谐波问题研究.华中科技大学,2009.RubaM,FodoreanD.AnalysisofFault-TolerantMultiphasePowerConverterforaNine-PhasePermanentMagnetSynchronousMachine[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2012,48(6):2092-2101.於锋,程明,夏子朋,等.3种谐波电流注入模式下的磁通切换永磁电机缺相容错控制[J].中国电机工程学报,2016,36(003):836-844.JungE,YooH,SulSK,etal.ANine-PhasePermanent-MagnetMotorDriveSystemforanUltrahigh-SpeedElevator[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2012,48(3):987-995.刘剑.六相永磁同步发电机控制技术研究[D].哈尔滨工业大学,2014.汤浩.九相感应电机矢量控制系统的研究[D].浙江大学,2013.郑晓钦.多相感应电机缺相运行研究[D].华中科技大学,2017.王鸿儒.基于电流型PWM整流器的蓄电池组充放电技术研究[D].中国石油大学,2011.冯旭.高压变频器调制技术的研究与实现[D].中南林业科技大学,2012.李聪聪.新型全数字式EPS的研制[D].西安科技大学,2012.林晓岚.基于SVPWM调制的单相二极管钳位级联整流器电压均衡控制策略研究[D].西南交通大学.马记.小型风机并网逆变器研究[D].山东科技大学,2010.王芳.表贴式永磁同步电机削极技术的研究[J].船电技术,2018,38(02):41-45.王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