來源：小牛機器人

早期對永磁同步電機的研究主要是對固定頻率供電的永磁同步電機運行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接啟動性能的研究。永磁同步電機的直接啟動是依靠阻尼繞組提供的異步轉(zhuǎn)矩將電機加速到接近同步轉(zhuǎn)速，然后由磁阻轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩將電機牽入同步來實現(xiàn)的。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在這方面做了大量的研究工作。

20世紀(jì)80年代，國外開始對逆變器供電的永磁同步電機進行深入研究。逆變器供電的永磁同步電機與直接啟動的永磁同步電機的結(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：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)動慣量，使電機力矩慣量比下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機脈動力矩增大。在逆變器供電情況下，永磁同步電機的原有特性將會受到影響，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相比有不同的特點。

1980年后科研人員發(fā)表了大量研究永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性的論文。A.V.Gumaste等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電機穩(wěn)態(tài)特性及電流型逆變器供電的永磁同步電機穩(wěn)態(tài)特性。

隨著人們對永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)性能要求的不斷提高，需要設(shè)計出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機。隨著微型計算機技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的全數(shù)字控制也取得了很大的進展。

D.Naunin等研制了一種永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)，采用了16位單片機8097作為控制計算機，實現(xiàn)了高精度、高動態(tài)響應(yīng)的全數(shù)字控制。20世紀(jì)80年代末至90年代初，B.K.Bose等發(fā)表了大量關(guān)于永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)全數(shù)字控制的論文。

永磁同步電機矢量控制系統(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。

1991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)用于直流電機調(diào)速系統(tǒng)。我國臺灣大學(xué)劉天華等首次將魯棒控制理論應(yīng)用于永磁同步電機伺服驅(qū)動。

電機在運行過程中，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)變化時保持良好的控制性能。因此，將各種魯棒控制技術(shù)運用于電機調(diào)速領(lǐng)域，可以大大提高調(diào)速系統(tǒng)的性能。在這方面運用得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。

永磁同步電機的控制

（1）開環(huán)控制方式

由于同步電機的轉(zhuǎn)速會嚴(yán)格根據(jù)電源頻率變化，因此可以通過變頻器的V/F開環(huán)控制方式來控制同步電機的轉(zhuǎn)速。在多臺電機要求嚴(yán)格同步的場合，可以用一臺變頻器驅(qū)動多臺永磁同步電機來實現(xiàn)多個軸之間的同步，有人稱這種控制方式為外同步方式。由于是開環(huán)控制，同步電機的動態(tài)響應(yīng)能力相對比較弱。

（2）閉環(huán)矢量控制方式

對于永磁同步電機的控制，目前市場上應(yīng)用最多的是帶有編碼器反饋的閉環(huán)控制，控制思想采用了空間矢量分解的方式，將電機的實際電流按扭矩電流與勵磁電流兩個方向進行分解。同步電機閉環(huán)控制的難點是首先必須知道永磁轉(zhuǎn)子的實際位置，然后控制定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，保證其與轉(zhuǎn)子實際位置呈90°的空間夾角，以產(chǎn)生最大的電機扭矩。

通常情況下，轉(zhuǎn)子的實際位置通過編碼器回饋給驅(qū)動器，如采用增量式編碼器，除了A、B、Z相的脈沖信號反饋轉(zhuǎn)子的實際速度外，還有U、V、W信號，U、V、W信號與電機三相反電動勢同頻率、同相位，根據(jù)它們的不同狀態(tài)，可將360°電角度平面分成6個部分，用以確定電機的初始轉(zhuǎn)子位置角。

增量式正/余弦編碼器除了速度信號，還提供了C、D通道，用來顯示電機的初始轉(zhuǎn)子位置。如果缺少了轉(zhuǎn)子的位置信息，則驅(qū)動器不能建立正確的旋轉(zhuǎn)磁場，會導(dǎo)致運行失敗或者是電機的轉(zhuǎn)矩波動較大。當(dāng)然，很多高性能的驅(qū)動器還可以對電機轉(zhuǎn)子實際位置進行識別。例如計算定子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置來估計電機的轉(zhuǎn)子位置、計算定子相電感來估計轉(zhuǎn)子位置等。西門子Sinamics S120伺服驅(qū)動器給用戶提供了以下幾種轉(zhuǎn)子位置的識別方式。

①基于運動模式。

②基于一階飽和模式。

③基于二階飽和模式。

④基于直流注入的模式，如下圖所示。

基于直流注入模式的磁極位置識別

（3）無傳感器的矢量模式方式

安裝傳感器會給電機帶來一定的麻煩與弊端，具體如下。

①機械傳感器增加了電機轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)動慣量，加大了電機空間尺寸和體積。

②機械傳感器的使用增加了電機與控制系統(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受機械傳感器使用條件如溫度、濕度和震動的限制，調(diào)速系統(tǒng)不能廣泛適應(yīng)各種場合。

④機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格甚至可與電機本身價格相比。

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

永磁同步電機無速度傳感器矢量控制技術(shù)的關(guān)鍵，在于如何根據(jù)測量的電機電流和電壓信號估計電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。對于永磁同步電機調(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)子位置的估計方法。同時，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)造方法來估計控制過程中的狀態(tài)變量或參數(shù)。

在電機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)造的電機轉(zhuǎn)子位置和速度觀測器具有動態(tài)性能好、穩(wěn)定性強、參數(shù)敏感性小等特點。隨著高速數(shù)字信號處理器（DSP）技術(shù)的發(fā)展，各種具有優(yōu)良性能的速度觀測器在無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中得到廣泛運用。

實踐證明，無論是識別電機轉(zhuǎn)子的實際位置，還是評估轉(zhuǎn)子速度，目前的技術(shù)手段都還沒有辦法保證精準(zhǔn)控制的需求，特別是在低頻運行過程中，無傳感器矢量控制電機的轉(zhuǎn)矩波動大。

審核編輯：湯梓紅

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