变频调速永磁同步电机的矢量控制

苏宝龙

(海军驻哈汽军事代表室，黑龙江哈尔滨150040)

变频调速永磁同步电机的矢量控制

苏宝龙

(海军驻哈汽军事代表室，黑龙江哈尔滨150040)

通过对变频调速永磁电机矢量控制的介绍，论述了采用新的控制方法既矢量控制理论进行控制时，电动机具有和直流电动机类似的特性。通过改变电枢电流便可以实现对转矩的控制。而其控制方法主要是恒转矩控制和普通弱磁控制，其控制系统采用电流、转速的双闭环控制。

变频调速；矢量控制；电流控制；控制系统

0 引言

采用矢量控制的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配,而且可以控制永磁同步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是被控永磁同步电动机的参数的准确性，有的通用变频器在使用时需要准确地输入永磁同步电动机的参数，有的通用变频需要使用速度传感器和编码器。鉴于电机参数有可能发生变化，则会影响变频器对电机的控制性能，目前新型矢量控制通用型变频器中已经具备永磁同步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，具备这种功能的通用变频器在驱动控制永磁同步电动机进行正常运转之前，可以自动地对控制永磁同步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对永磁同步电动机进行有效的矢量控制。

1 调速永磁同步电动机矢量控制原理

电动机的速度控制实际上是通过控制转矩来实现的。在永磁直流电动机内，仅仅改变电枢电流便可以实现对转矩的控制，这是因为，无论转子在什么位置，电枢电流产生的磁动势总与永磁磁场正交，转矩可表示为

Tem=KTφfIa

(1)

式中，KT—比例常数；φf—永磁磁动势产生的每极磁通，可认为是常数；Ia—电枢电流。

式(1)可以看出，通过控制直流电机的电枢电流便可控制转矩，从而实现对直流电动机转速的控制。与永磁直流电动机不同，调速永磁同步电动机的电枢反应磁动势与永磁磁场不是正交，难以通过控制电枢电流来调节电动机的转矩。但从静止三相坐标系变换到坐标系后，永磁电动机的转矩表达式为

Tem=p(ψdiq-ψqid)=p[Lmdifiq+(Ld-Lq)idiq]

(2)

式中，id、iq—定子d、q轴电流；ψd—定子直轴磁链，包括定子直轴电流产生的磁链和永磁体产生的磁链；ψq—定子交轴磁链，只包括定子交轴电流产生的磁链；Ld、Lq—定子绕组d、q轴电感；if—永磁体等效励磁电流；其值为ψf/Lmd；ψf—永磁体基波磁场在定子绕组中产生的磁链；Lmd—d轴励磁电感。

当Ld=Lq时，式(2)变为Tem=p(Lmdifiq)=pψfiq与式(1)的形式相同，其中交轴电流相当于永磁直流电动机中的电枢电流。可以通过调节交轴电流实现对转矩及转速的控制。当Ld≠Lq时，通过调节交直轴电流，不但可以利用磁阻转矩加大转矩输出能力，还可以改变直轴磁链大小，从而实现永磁同步电动机的弱磁调速控制。总之，在永磁磁链和直、交轴电感确定后，电动机的转矩取决于定子电流的空间相量is，而is的大小和相位又取决于id和iq，控制id和iq便可以控制电动机的转矩。一定的转速和转矩对应于一定的直交轴电流给定值id′和iq′，通过适当的控制，使实际直交轴电流id和iq跟踪id′和iq′，便可以实现调速永磁同步电动机转矩和转速的控制。

2 永磁同步电动机的电流控制方法

2.1 恒转矩控制

恒转矩控制一般采用最大转矩/电流比控制，此时直、交轴电流满足式(3)

(3)

式中，is—d、q坐标系下电枢电流值,可为逆变器电流容量的任何允许值。由逆变器容量决定的电枢电流最大值用ilim表示。在恒转矩控制过程中，随电动机转速的升高，电枢绕组电动势增大。当增大到逆变器最高输出电压(即电机的极限电压)ulim时，电机转速达到恒转矩控制时的最高转速，该转速定义为电机的转折转速，以电角速度ωb表示。由式(3)和式(4)可得转折转速ωb的方程式

(4)

式中，ud、uq—定子d、q轴电压；r1—定子绕组相电阻。

当ρ≠1时

(5)

当ρ=1时,最大转矩/电流比控制即位为id=0控制,转折转速为

(6)

通过上式可知，电机恒转矩控制过程中，输出的转矩保持不变，功率线性增加并在转折转速时达到最大值。

2.2 普通弱磁控制

当电机转速增至转折转速时，要继续增加转速就必须采用弱磁控制，永磁同步电动机的弱磁控制来自他励直流电动机的励磁控制。他励直流电动机转速随端电压的升高而升高，当端电压达到极限值时，如果再升高转速，必须降低电动机的励磁电流，使磁场减弱，才能保证电动势和电压的平衡。永磁同步电动机的励磁磁动势由永磁体产生而无法调节，只有通过调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡，达到弱磁扩速的目的。

在弱磁调速过程中，电机的电压保持其极限值ulim不变，因此由电压方程式可得到电动机运行于某一转速ω时的交、直轴电流。通常当ψf/Ld>is时，有

(7)

当ψf/Ld≤is时，有

(8)

2.3 最大输入功率弱磁控制

当ψf

(9)

当ρ≠1时,

当ρ=1时,Δid==0

3 调速永磁同步电动机矢量控制系统

通过上述调速永磁同步电动机的电流控制方法可以看出,各电流控制均是基于对其幅值和相位的控制,即对定子电流矢量的控制,调速永磁同步电动机矢量控制系统如图1所示。

图1 调速永磁同步电动机矢量控制系统简图

指令速度ω′与实际反馈速度ω的差值作为速度PI调节器的输入，其输出经限幅后作为电机交轴给定电流iq′；由电机实际转速确定的直轴给定电流id′连同交轴给定电流iq′经坐标变换(坐标变换所需的位置信号由位置检测元件获得)得到三相给定电流ia′、ib′、ic′，这一给定电流与实际反馈电流ia、ib、ic进行滞环比较，得到逆变器功率管的驱动信号，进而实现对电机转速、电流的双闭环控制，即可完成矢量控制。

4 结语

综上所述，由于调速永磁同步电动与普通异步电动机的控制模式不同,它需要对磁极位置进行整定,因此,应用普通的带矢量控制功能的变频器驱动调速永磁同步电动机必须使用编码器，同时，而且变频器也是闭环带PG矢量控制的, 运行前变频器需要自学习,确定编码器零位。只有这样, 才能使用普通的带矢量控制功能的变频器驱动调速永磁同步电动机。

[1] 闫丹，闫红.变频电源供电变频调速电动机.防爆电机，2014.2.

[2] 严冠豪，刘园，杨俊飞.变频电机轴电流的分析.防爆电机，2014.5.

[3] 李吉贵，胡佳奇.变频调速三相异步电动机的试验.防爆电机，2013.5.

Vector Control of Variable-Frequency Adjustable-Speed Permanent Magnet Synchronous Motor

SuBaolong

(Military Delegate Office of Navy in Harbin Turbine Company Limited, Harbin 150040, China)

Based on the introduction of vector control of variable-frequency adjustable-speed permanent magnet synchronous motor, this paper expounds that characteristics of this kind of motors are similar to that of dc motors when a new control method ( i.e. vector control theory) is adopted. Changing the armature current of the motor can achieve the control of torque, its control method mainly is constant torque control and common weak magnetic control, and its control system adopts doubly-closed loop control of current and speed.

Variable-frequency adjustable-speed；vector control；current control；control system

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.12

TM344.6

B

1008-7281(2017)02-0040-003

苏宝龙 男 1976年生；毕业于哈尔滨工程大学核工程专业，现从事动力设备质量监督工作.

2017-03-30