永磁同步電機(jī)之調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制

 一、矢量控制原理

電動(dòng)機(jī)的速度控制實(shí)際上是通過(guò)控制轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在永磁直流電動(dòng)機(jī)中，僅僅改變電樞電流便可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制，這是因?yàn)?，無(wú)論轉(zhuǎn)子在什么位置，電樞電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)總與永磁磁場(chǎng)正交，轉(zhuǎn)矩可表示為。式中，KT為比例常數(shù)；咖為永磁磁動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的每極磁通，可認(rèn)為是常數(shù)；I 。為電樞電流?？梢钥闯?，通過(guò)控制電樞電流便可控制轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。與永磁直流電動(dòng)機(jī)不同，調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)與永磁磁場(chǎng)不正交，難以通過(guò)控制電樞電流來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。但從靜止三相ab 。坐標(biāo)系變換到向坐標(biāo)系后，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式變?yōu)槭剑?0一3）。當(dāng)玩一Lq時(shí)，式（10一3）和式（10一21）的形式相同，其中交軸電流相當(dāng)于永磁直流電動(dòng)機(jī)中的電樞電流，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)交軸電流實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的控制。當(dāng)Ld并Lq時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)交直軸電流，不但可以利用磁阻轉(zhuǎn)矩加大轉(zhuǎn)矩輸出能力，還可以改變直軸磁鏈大小，從而實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速控制。

總之，在永磁磁鏈和直、交軸電感確定后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩取決于定子電流的空間相量￡s，而i，的大小和相位又取決于￡d和iq，也就是說(shuō)，控制id和iq便可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于一定的直交軸電流給定值話和始，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂?，使?shí)際直交軸電流id和i 。跟蹤i ' d和i ’ 。，便可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。由于電樞繞組的實(shí)際電流是三相交流電流i 。 、幾、 i 。，因此三相電流的給定值幾、魂和i ' c由下面的變換從i ' a和瑞得到式中，0的含義見圖10一3，為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直軸與定子a相繞組軸線之間的夾角（電角度）,可以通過(guò)位于電動(dòng)機(jī)非軸伸端上的位置傳感器獲得。通過(guò)電流控制環(huán)，可使電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸人電流與給定電流一致，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。需要指出，上述電流控制方法對(duì)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和動(dòng)態(tài)都適用，且id，和iq是各自獨(dú)立控制的，便于實(shí)現(xiàn)各種控制策略。

二、永磁同步電動(dòng)機(jī)的電流控制策略

1．恒轉(zhuǎn)矩控制

恒轉(zhuǎn)矩控制一般采用最大轉(zhuǎn)矩／電流比控制，此時(shí)直、交軸電流滿足式式中，15為dq坐標(biāo)系下電樞電流值，可為逆變器電流容量的任何允許值。由逆變器容量決定的電樞電流最大值用ilim表示。在恒轉(zhuǎn)矩控制過(guò)程中，隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，電樞繞組電動(dòng)勢(shì)增大。當(dāng)增大到逆變器最高輸出電壓（即電機(jī)的極限電壓）ulim時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到恒轉(zhuǎn)矩控制時(shí)的最高轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速定義為電機(jī)的轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速，以電角速度叭表示。由式（10一23）和電壓方程式可得轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速為。

2．普通弱磁控制

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增至轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速時(shí)，要繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速就必須采用弱磁控制。永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制的思想來(lái)自他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁控制。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨端電壓的升高而升高，當(dāng)端電壓達(dá)到極限值時(shí)，如希望再升高轉(zhuǎn)速，必須降低電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，使磁場(chǎng)減弱，才能保證電動(dòng)勢(shì)和電壓的平衡。永磁同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)由永磁體產(chǎn)生而無(wú)法調(diào)節(jié)，只有通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來(lái)維持高速運(yùn)行時(shí)電壓的平衡，達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的。在弱磁調(diào)速過(guò)程中，電機(jī)的電壓保持其極限值ul 、不變，因此由電壓方程式可得到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于某一轉(zhuǎn)速。時(shí)的交、直軸電流。

3．最大輸人功率弱磁控制

當(dāng)哄＜Ld 15且電動(dòng)機(jī)的普通弱磁控制達(dá)一定轉(zhuǎn)速時(shí)，再增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，必須降低電機(jī)的電流，從而進(jìn)人最大輸人功率弱磁控制，此時(shí)電機(jī)直、交軸電流應(yīng)滿足。

三、調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)

由上面給出的調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電流控制策略可以看出，各電流控制均是基于對(duì)其幅值和相位的控制，也即對(duì)定子電流矢量的控制。圖10一5為調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。