永磁無(wú)刷電機(jī)的四大控制策略

任何電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的。直流電動(dòng)機(jī)的主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)在空間互差90°，因此可以獨(dú)立調(diào)節(jié)；交流電機(jī)的主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)互不垂直，互相影響。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能較差。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，目前的交流電機(jī)控制有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等方案。

一、恒壓頻比控制

恒壓頻比控制是一種開環(huán)控制。它根據(jù)系統(tǒng)的給定，利用空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出電壓uout進(jìn)行控制，使電動(dòng)機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。在一些動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)所，由于開環(huán)變壓變頻控制方式簡(jiǎn)單，至今仍普遍用于一般的調(diào)速系統(tǒng)中，但因其依據(jù)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，無(wú)法獲得理想的動(dòng)態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。永磁無(wú)刷電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為非線性、多變量，它含有ω與id或iq的乘積項(xiàng)，因此要得到精確的動(dòng)態(tài)控制性能，必須對(duì)ω和id，iq解耦。近年來(lái)，研究各種非線性控制器用于解決永磁無(wú)刷電機(jī)的非線性特性。

二、矢量控制

高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)需要現(xiàn)代控制理論的支持，對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)，目前使用最廣泛的當(dāng)屬矢量控制方案。自1971年德國(guó)西門子公司F．Blaschke提出矢量控制原理，該控制方案就倍受青睞。因此，對(duì)其進(jìn)行深入研究。

矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律，磁場(chǎng)定向坐標(biāo)通過(guò)矢量變換，將三相交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使這兩個(gè)分量相互垂直，彼此獨(dú)立，然后分別調(diào)節(jié)，以獲得像直流電動(dòng)機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)特性。因此矢量控制的關(guān)鍵在于對(duì)定子電流幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終的實(shí)施是對(duì)id，iq的控制。由于定子側(cè)的物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算都不方便。需借助復(fù)雜的坐標(biāo)變換進(jìn)行矢量控制，而且對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。

三、直接轉(zhuǎn)矩控制

矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動(dòng)機(jī)控制方案。但因其需要復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動(dòng)機(jī)的機(jī)械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響應(yīng)矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。針對(duì)矢量控制的這一缺點(diǎn)，德國(guó)學(xué)者Depenbrock于上世紀(jì)80年代提出了一種具有快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性的控制方案，即直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。該控制方案摒棄了矢量控制中解耦的控制思想及電流反饋環(huán)節(jié)，采取定子磁鏈定向的方法，利用離散的兩點(diǎn)式控制直接對(duì)電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。DTC最早用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，1997年L Zhong等人對(duì)DTC算法進(jìn)行改造，將其用于永磁無(wú)刷電機(jī)控制，目前已有相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)研究。

DTC方法實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制。在得到電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩值后，即可對(duì)永磁無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行DTC。圖2給出永磁同步電機(jī)的DTC方案結(jié)構(gòu)框圖。它由永磁無(wú)刷電機(jī)、逆變器、轉(zhuǎn)矩估算、磁鏈估算及電壓矢量切換開關(guān)表等環(huán)節(jié)組成，其中ud，uq，id，iq為靜止(d，q)坐標(biāo)系下電壓、電流分量。

雖然，對(duì)DTC的研究已取得了很大的進(jìn)展，但在理論和實(shí)踐上還不夠成熟，例如：低速性能、帶負(fù)載能力等，而且它對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，計(jì)算量大。

四、解耦控制

永磁無(wú)刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型經(jīng)坐標(biāo)變換后，id，id之間仍存在耦合，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)id和iq的獨(dú)立調(diào)節(jié)。若想使永磁無(wú)刷電機(jī)獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，就必須解決id，iq的解耦問(wèn)題。若能控制id恒為0，則可簡(jiǎn)化永磁無(wú)刷電機(jī)的狀態(tài)方程式為：

此時(shí)，id與iq無(wú)耦合關(guān)系，Te=npψfiq，獨(dú)立調(diào)節(jié)iq可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線性化。實(shí)現(xiàn)id恒為0的解耦控制，可采用電壓型解耦和電流型解耦。前者是一種完全解耦控制方案，可用于對(duì)id，iq的完全解耦，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜；后者是一種近似解耦控制方案，控制原理是：適當(dāng)選取id環(huán)電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其具有相當(dāng)?shù)脑鲆?，并始終使控制器的參考輸入指令id*=O，可得到id≈id*=0，iq≈iq*o，這樣就獲得了永磁無(wú)刷電機(jī)的近似解耦。圖3給出基于矢量控制和id*=O解耦控制的永磁無(wú)刷電機(jī)。

雖然電流型解耦控制方案不能完全解耦，但仍是一種行之有效的控制方法，只要采取較好的處理方式，也能得到高精度的轉(zhuǎn)矩控制。因此，工程上使用電流型解耦控制方案的較多。然而，電流型解耦控制只能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電流和轉(zhuǎn)速的靜態(tài)解耦，若實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)耦合會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的控制精度。另外，電流型解耦控制通過(guò)使耦合項(xiàng)中的一項(xiàng)保持不變，會(huì)引入一個(gè)滯后的功率因數(shù)。