永磁电机的矢量控制技术应用

来源:用户上传      作者:

　　摘要：永磁电机因为具有良好的性能，被应用于医疗器械，化工，工业机器人等多个领域。而永磁电机的矢量控制系统能够实现高精度，高动态性能，特别是其中用到的坐标变换的方法，实现模拟直流电机的控制方法来对永磁电机进行控制，各个物理量由交流量转化为直流量的巧妙构思更让我们能更深入的了解永磁电机的矢量控制技术。
　　关键词：坐标变换；调速系统；空间电压矢量；磁通转矩
　　正文：
　　在现代生活中，无论是电动机还是发电机都是非常常见的，而在电机中，有一种使用永磁材料制成的电机——永磁电机。它的特别之处就在于材料的特殊，包括基于碳钢，铁氧体，稀土永磁等永磁材料。和传统的交流同、异步电机、直流电机相比，永磁电机有体积小、重量轻、方便控制、以及过载能力强，转速平稳的优秀特质。这一特殊的電机早在我国古代就已经产生并且被人类挖掘出来，距今已经有一段漫长的光年，现如今永磁材料的产量，性价比都在显著提高；市场发生了巨大的改变；我国也已经成为永磁材料的生产中心，大到人造卫星，小到电话耳机，都和永磁电机息息相关。
　　对永磁电机进行深度剖析。永磁电机分为无刷直流电机和永磁同步电机[1]。我们主要探讨的永磁电机控制系统是的控制系统是永磁电机的关键技术，其核心在于电机驱动系统采用矢量控制驱动系统。矢量控制技术是由交流变频技术不断发展而来，不少伟大的科学家提出的相关理论对于矢量控制技术的研究起到了很大的帮助，例如：德国西门子等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”，为矢量控制提供了理论基础。矢量控制系统在日常生活中也被很好的利用起来。像是在电动汽车，空调电冰箱等家电中的应用。我们知道在谈到空调时，经常会提到变频的概念，而变频就和矢量控制技术有着莫大的关系。简而言之，矢量控制就是一种改良版变频调速控制方式。
　　一、永磁电机的调速系统发展过程
　　1.不同电动机调速系统的特点
　　在交流电动机中，主要分为异步电动机和同步电动机。依照转差功率的不同，异步电动机存在三种类型，分别是转差功率的消耗型、回馈型、不变型。早期使用的是转差功率消耗型，显而易见，转差功率消耗型消耗很大，而效率却不高，高投资低回报的典型。它主要采取的方式是通过调节输出功率来调节转差功率。转差功率回馈型的调速系统是采用串级调速的方式，和消耗型相比，它的效率有提高，主要原因是部分的转差功率回送到了电网上。转差功率不变型主要是变频和变级两种调速同时作用，这种类型中转差功率基本保持不变，整个系统的有效功率会随着输出功率发生变化，运行效率比较高，调速性能也是在三种类型中最好的。
　　2.永磁电机的调速系统分析
　　再者是同步电机，它运行时没有转差。要进行调速就必须通过改变主磁场的运行速度。永磁电机与传统的同步电机没有太大的区别。那么如何改变主磁场的运行速度呢？
　　首先我们来看定子电压和定子频率之间的关系。频率在较低的值时，定子电压会随着定子频率的增加而增加，同时是按照某种线性关系变化的。换句话说，定子频率在一定范围内和定子电压成正比。当定子频率上升到转折点时，它与定子电压之间的关系发生了变化，不再是正比的关系。从转折点开始，定子频率无论怎么增加，定子电压都不会发生变化，一直保持在某一个数值。这个时候，定子电压恒定，定子频率继续增加，磁场就会逐渐减小，永磁电动机转速提高。这种通过增加定子频率减小主磁场的方法叫做弱磁升速。
　　我们所理解的矢量控制技术是高效的控制技术，它能使调速系统具有良好的调速性能。
　　二.矢量控制技术的基本原理及分析
　　1.矢量控制技术基本原理
　　矢量控制技术研发的目的是为了改善转矩的控制能力，但归根结底不变的是对定子电流的控制。在定子侧的物理量，像是电压，电动势，电流等都是交流量，都会随着时间的变化而发生变化的，交流量的空间矢量在空间中的控制调控很难实现，所以需要借助坐标变换，使各物理量由交流量变为直流量，从而使得更好的控制和调节。矢量控制的特点是分别控制永磁电机中励磁电流和转矩电流，采用信号采集的原理检测定子电流，把定子电流分成励磁电流和转矩电流两部分，由控制两部分电流的相位和幅值达到控制定子电流的最终目的。矢量控制的最终目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施依然是落实到对定子电流（交流量）的控制上[2]。
　　由矢量控制技术的目的能够了解到矢量控制技术的基本思想，就是在普通的交流电动机上设法模拟直流电动机相关的规律，将电流矢量分解到磁场定向坐标中，形成两个电流分量，一个是产生磁通的励磁电流分量，另一个是产生转矩的转矩电流分量。分解这两个电流分量依照的是分解变量前后的功率不变。而分解后的两个电流分量在磁场定向坐标中相互垂直，互不干扰，分别对磁通和转矩进行调节，这样做的目的除了使系统更加简化，也可获得很好的动态特性。
　　2.矢量控制中坐标变换方式
　　矢量控制技术中的坐标变换主要分为两步，第一步是进行Clarke变换，第二步是进行Park变换。
　　对于三相电机而言，通入定子的三相电流在abc坐标下会产生一个合成磁势，如果我们把它分解到α-β坐标系下，即有一个脉动磁势，它是由α-β轴上的绕组等效平衡电流合成产生的。但是它所起到的效果跟abc是一样的，根据磁势和功率不变的原则通过正交变换，体现了等效思想。这个过程我们称之为Clarke变换，就是三相到两相静止的变换。这一变换首先将基于三轴二维的定子静止坐标系的各物理量转换为二轴的定子静止坐标系中。
　　在三相到两相静止变换后，转矩仍然依靠转子通量。我们将三相的电流先转换到静止坐标系，获得了基于α-β二轴定子静止坐标系的定子电流矢量，接下来是将定子电流矢量等效到d q轴上，d q轴也叫直轴和交轴，等效后的两个电流量正好是常数了。通过控制器对其速度电流环进行控制，控制id相当于是控制了磁通，控制iq相当于是控制转矩。变换至随转子磁通同步旋转的二轴系统中，也就是说我们需要坐标系以转子相同的速度旋转。这种变换叫做旋转变换或Park变换。这样一来，大大的方便了控制和计算。转换后的定子电流在d q轴上的分量决定电磁转矩的大小，永磁电机矢量控制的实质就是通过对定子电流的控制来实现永磁电动的转矩控制。
　　三.永磁电机空间电压矢量控制
　　空间电压矢量控制和传统意义上的磁场定向控制策略有一定的不同。但两者相比之下，空间电压矢量控制是磁场定向控制策略的进化，它是一种新型的矢量控制技术。目前，我国变频器生产厂家所生产的变频器大都是采用普通的SPWM控制方式[3]。但是电压矢量控制具有损耗小，调制范围更高，电压的利用率高的特点。磁场定向控制策略的脉宽调制常见是以正弦脉宽调制。永磁电机具有正弦型的反电动势波形，因此定子电压，定子电流为正弦波形，而空间电压矢量调制不再是常见的脉宽调制，其目的在于使输出电压输出波形更加接近于圆形，这样电机就能获得理想的圆形磁链。
　　我们的最终目的很清楚：使电机获得圆形磁场。电动机的三相定子绕组相当于一个三相平面静止坐标系。我们需要的三相电压空间矢量分别在三相定子绕组上，三相电压空间矢量的特点是三个定子电压在空间中的时间相位各自相差120°，且它们的大小随着时间按正弦规律做变化。现在我们将三相定子电压叠加合成一个空间矢量。此时的这个空间矢量幅值不变，以w=2πf角速度旋转的空间矢量。圆形磁场就会在幅值不变，角连续变化的情况下产生。
　　参考文献
　　[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计.北京.机械工业出版社，1997；
　　[2]张剑.无位置传感器永磁交流伺服系统控制策略的研究与实现.天津大学硕士学位论文，2006.12；
　　[3]张燕宾.SPWM变频调速应用技术.北京.机械工业出版社，1998；
　　（作者单位：成都市西华大学 机械工程学院）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14735178.htm