双永磁电机系统转速同步控制

双永磁电机系统转速同步控制

郭庆华

（哈尔滨电机厂有限责任公司黑龙江省哈尔滨市150040）

摘要：随着科学技术的发展，电力电子技术也得到了空前的发展，同时带动了电机控制技术多样性。文章对双永磁电机系统转速同步控制进行了研究分析，以供参考。

关键词：永磁同步电机；自抗扰控制；伺服系统

1前言

永磁同步电机（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏ－ｎｏｕｓ－ｍｏｔｏｒ，ＰＭＳＭ）具有结构简单、工作效率高等特点，在工业、交通、军事和航空等重要领域得到广泛应用。但永磁同步电机存在强耦合、参数易变和非线性等特点，要考虑参数及负载变化对控制性能的影响。目前常用的控制策略如ＰＩＤ控制，它是以系统的偏差进行控制，控制简单，易于实现，但是ＰＩＤ是采用线性方法，对于非线性系统来说，在抗扰动方面难以实现高精度的控制。

2电机控制技术

20世纪70年代德国学者提出矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。

1985年，德国的教授提出了直接转矩控制方法。近年来，矢量控制和直接转矩控制技术不断发展，且有各自不同的应用领域。随着现代控制理论和电子技术的发展，各种控制方法不断出现。

2.1磁场定向矢量控制技术

矢量控制是由德国学者F.Blaschke提出的控制理论，又可称为磁场定向矢量控制（FieldOrientedControl，FOC），控制的基本原理是通过坐标变换将定子电流解耦为相互正交的励磁电流分量（Id）和转矩电流分量（Iq），通过单独控制Id和Iq来实现电磁转矩和磁场的解耦。在矢量控制方法中，转子磁链难以准确的观测得到，同时对电机参数的准确性也要求较高，进而需要增加额外的检测设备，如位置传感器，因而造成系统的结构更加复杂，使得系统成本增加，并且在矢量控制的变换过程复杂的情况下，导致系统的控制精度和响应速度无法保证。进而在永磁同步电机的矢量控制中，通过控制要求的不同而采用不同的控制方式。具体的，根据电流给定方式的不同，控制方法主要分为：Id=0控制、最大转矩电流比控制、弱磁控制。

2.2直接转矩控制技术

直接转矩控制（DirectTorqueControl，DTC）相对于矢量控制，省去了复杂的空间坐标变换，而是直接对转矩进行控制，在控制中以定子磁链定向控制，便可在定子坐标系内实现电动机磁链和转矩的直接观测及控制。具体控制过程为：采用传感器得到实际转速信号或者无传感器的方式检测电机的估计转速，将给定转速信号与实际转速信号或者估计转速作差之后，通过速度控制器获得给定转矩值，将估计磁链、估计转矩与相应的给定值作差之后，将两差值分别经过滞环控制器之后获得磁链、转矩的控制信号，再结合转子位置以及查找表获得相应的电压空间矢量，最终实现对电机转矩的直接控制。它有着实现方式简单、转矩响应快、动态性能好等优点。

3永磁同步电机矢量控制原理

3.1电压空间矢量

电压空间矢量是按照电压所加在绕组的空间位置定义的，当三相定子电压分别施加在三相绕组上，方向始终在各自轴线上，大小随时间正弦变化。

3.2矢量控制策略分析应用

该矢量控制的目的是为了得到逼近理想的圆形磁场，而其基本思想则是建立在坐标变换及电磁转矩方程上。从永磁同步电机数学模型可看出，对电磁转矩控制最终归结为对d轴和q轴电流的控制。对于给定的电磁转矩，d轴和q轴电流有许多组合。不同组合方式，其控制效率、功率因数、转矩输出能力等都不同，故需要讨论电机电流的控制方法。当永磁同步电机为凸极电机时，交直轴磁阻不同，电感Ld和Lq不等，电磁转矩中存在磁阻转矩，这时若采用最大转矩电流比控制方式，利用磁阻转矩可在一定电流条件下获得最大的转矩输出。这种控制方式在满足电机输出力矩的条件下使定子电流最小，从而减小了电机的铜耗，有利于逆变器开关器件的工作，逆变器损耗也最小。实际系统中，实现最大转矩控制通常采用查表法。最大转矩电流比控制的优点是减小了电机的铜耗，降低成本；缺点是随着输出转矩的增大，系统的功率因素下降较快。当永磁同步电机为隐极电机时，电磁转矩中不含有磁阻转矩，电磁转矩仅与定子电流中的交轴分量有关。如果忽略dq轴耦合，则无论id是否为0，电磁转矩始终与iq成线性变化。此时实现良好控制精度的关键是如何更好地实现对iq的控制。根据用途的不同，PMSM矢量控制方式有id＝0控制、cosφ＝1控制、恒磁链控制、弱磁控制和最大功率控制。

4永磁同步电机自抗扰控制的仿真分析

4.1仿真模型搭建

本文采用id＝0控制方法的三相PMSM矢量控制框图，出三相PMSM矢量控制主要包括转速环PI调节器和电流环PI调节器。

4.2仿真实验

为了证明自抗扰控制代替传统PID的优越性，本文在不同工况下对两种情况下电机控制性能进行了对比：当电机从零速上升到参考转速1000rpm时，传统的PID控制下电机动态响应速度很快，但是转速有一些超调量。在同种工况时，自抗扰控制超调量很小。并且当电机转速加速到1000rpm，0．2s时电机加速到1500rpm，0．3s时突加负载转矩，传统PID超调量远大于自抗扰控制系统，说明本文所设计的自抗扰控制系统具有较好的动态性能和抗扰动能力，能够满足实际电机控制性能的需要。

5结束语

在ＰＭＳＭ控制系统中，将矢量控制与自抗扰控制原理相结合，设计了永磁同步电机ＡＤＲＣ位置控制器，并用遗传算法解决了自抗扰控制器部分参数靠经验整定的不足。通过仿真对变参数和加负载扰动情况下的系统稳定性进行分析，仿真表明：优化后的ＡＤＲＣ控制系统动静态性能良好，抗干扰能力强、鲁棒性高，可实现无超调快速响应，控制精度高，实验分析结果进一步说明ＡＤＲＣ抗负载扰动能力强，稳定性高。

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