1.3 電動機控制策略

直流電動機的控制方法較簡單且成熟，其中調(diào)節(jié)電樞回路電阻最為簡單，但是它屬于有級調(diào)速，并且耗能較多。后來發(fā)展到調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速，電動機的調(diào)速性能好，屬無級調(diào)速，但是需要較為復雜與昂貴的調(diào)壓裝置，其中可以采用的調(diào)壓裝置有旋轉變流機組、晶閘管相控整流系統(tǒng)、直流PWM斬波系統(tǒng)等；當電動機運行在額定電壓且需要進一步提高速度就需要采用削弱主磁場的方式進行弱磁調(diào)速。

交流異步電動機的調(diào)速方法眾多，大體上可以根據(jù)轉差功率的不同分為轉差功率消耗型、轉差功率回饋型和轉差功率不變型三類。早期通常采用第一類方法，例如調(diào)節(jié)定子電壓調(diào)速（利用調(diào)壓裝置或者/△調(diào)速）、調(diào)節(jié)定子回路或者轉子回路電阻、電感等參數(shù)調(diào)速等。這種方法中電動機的輸出功率是通過調(diào)節(jié)轉差功率來實現(xiàn)的，效率較低，現(xiàn)在大部分場合都不采用了。但是在調(diào)速要求較低的場合有時會采用晶閘管實現(xiàn)調(diào)壓（或調(diào)功）調(diào)速，可以避免起動時產(chǎn)生較大的電流沖擊，相應的產(chǎn)品稱為電子式軟起動器；同時根據(jù)機械負載的不同進行簡單的電壓調(diào)節(jié)，可以起到提高運行效率的作用。轉差功率回饋型交流調(diào)速系統(tǒng)主要是串級調(diào)速，通過將部分轉差功率進行反饋，回送到電網(wǎng)從而可以提高系統(tǒng)效率。而轉差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)主要是變極調(diào)速（有級）與變頻調(diào)速（無級），此時轉差功率基本不變，隨著輸出功率的變化，系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的有功功率也隨之變化，始終保持較高的運行效率，并且調(diào)速性能也最好。

交流同步電動機穩(wěn)態(tài)運行時不存在轉差，因而只能通過改變主磁場的運行速度來進行調(diào)速——改變電動機磁極數(shù)目（有級）或者改變定子頻率（無級變頻調(diào)速）。

交流電動機變頻調(diào)速已經(jīng)廣泛應用于各種場合，本書中永磁同步電動機速度的控制就是圍繞變頻調(diào)速展開的。

電動機運行的基本問題（電與磁之間的相互作用）在電動機的控制過程中必須得到很好的處理。由于鐵磁性導磁材料存在磁飽和現(xiàn)象，所以希望電動機的磁路工作點處于輕度飽和狀態(tài)，以便充分利用導磁材料。這樣在較大磁場的基礎上，相同的電流流過導體就可以有更大的作用力產(chǎn)生。這種控制方法是通過定子電壓（U）與定子頻率（f）之比（即壓頻比、伏赫比）保持恒定來實現(xiàn)的，如圖1-4所示，在較低頻率范圍內(nèi)，隨著定子頻率的增加，定子電壓隨之成比例上升。

而當定子頻率上升到一定程度（如圖1-4中f₁）時，定子電壓由于絕緣或者受到供電電源的限制不能繼續(xù)上升，那么壓頻比就不能保持恒定了。在定子電壓恒定的情況下，定子頻率繼續(xù)上升，磁場逐漸減小，電動機的轉速仍可以進一步增加——這就是弱磁升速（與直流電動機相類似）。

圖1-4 交流電動機變頻調(diào)速電壓與頻率關系

進行變頻調(diào)速的交流電氣調(diào)速系統(tǒng)可以采用開環(huán)控制也可以采用閉環(huán)控制。同步電動機在開環(huán)控制狀態(tài)下較易產(chǎn)生失步，從而導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。這一點可以在后面第7章中正弦波供電永磁同步電動機起動過程的仿真中得到驗證。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同步電動機通常采用圖1-5的自控式變頻控制技術——利用轉子位置傳感器獲取轉子位置信號，經(jīng)過運算得到電動機轉子的電角位置以及電角速度，然后根據(jù)運行指令的要求（電動機轉矩、磁鏈、電流等），由控制系統(tǒng)通過主電路對電動機的位置、速度和電流等實施閉環(huán)控制。

從運行特性上來說，PMSM與傳統(tǒng)電勵磁同步電動機沒有太多區(qū)別，只不過傳統(tǒng)電勵磁同步電動機可以通過勵磁電流的調(diào)節(jié)使電動機工作在過勵磁與欠勵磁的狀態(tài)，從而可以改變電動機與外界的無功功率交換，用以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，同時可以進行弱磁升速的控制；而永磁同步電動機氣隙磁場的調(diào)節(jié)只能通過定子電流中通入額外的去磁電流以抵消轉子永磁體在氣隙中產(chǎn)生的磁場從而進行弱磁升速。

早期的PMSM主要是表面貼裝式結構，見圖1-6a。這樣，由于永磁體的磁導率與空氣相差不大，所以電動機d、q軸磁路是對稱的（有L_d=L_q），此時電動機相當于傳統(tǒng)電勵磁同步電動機中的隱極同步電動機。控制中根據(jù)轉子位置確定定子電流矢量的相位（電流超前轉子90°電角度），定子電流幅值i_1m根據(jù)轉矩命令的大小確定，見下式：

i_1m=T_e/（1.5n_pψ_f）

圖1-5 永磁同步電動機自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖

圖1-6 表面式與內(nèi)置式PMSM轉子結構

研究發(fā)現(xiàn)，如果轉子永磁體采用內(nèi)置式的結構，那么磁路將呈現(xiàn)出不對稱，如圖1-6b所示，從而等效于傳統(tǒng)電勵磁同步電動機中的凸極同步電動機。不過此時有L_d＜L_q，這與傳統(tǒng)電勵磁同步電動機剛好相反。在電動機控制過程中，如果通入沿d軸的負向勵磁電流（即弱磁電流）時，一方面可以進行弱磁升速，另一方面又可以增加一個磁阻轉矩分量，提高功率密度。隨著弱磁控制技術研究的不斷深入，該類型電動機在電動汽車等需要大功率輸出的場合中得到了越來越廣泛的應用。另外，近年來又出現(xiàn)磁體分段式轉子結構，不同部分的轉子呈現(xiàn)出不同的特性，以便使電動機的整體性能得到進一步提升。

BLDCM在運行特性上與傳統(tǒng)同步電動機有較大區(qū)別。從發(fā)展歷程上來說，在BLDCM出現(xiàn)之前首先出現(xiàn)的是無換向器電動機，可以說它是BLDCM的雛形。無換向器電動機轉子勵磁產(chǎn)生的依然是正弦分布的磁場，見圖1-8a，而定子繞組采用電流源逆變器供電，通過循環(huán)切換逆變器主開關向定子繞組中通以正負半周各自導通120°電角度、三相互差120°的直流電流如圖1-7b所示。這種情況下，電動機可以產(chǎn)生有效的平均轉矩；但是由于反電動勢為正弦波如圖1-7a所示，而定子電流為直流，所以存在著較大的轉矩脈動，如圖1-7f中三相的合成轉矩。

各種圍繞減小轉矩脈動的研究展開之后，出現(xiàn)了氣隙磁場為梯形波（類似于直流電動機的主磁場）的同步電動機——BLDCM，如圖1-8b所示的梯形波氣隙磁場可以通過優(yōu)化永磁體形狀產(chǎn)生。

從理論上說，傳統(tǒng)三相同步電動機轉子產(chǎn)生的氣隙主磁場是正弦波，定子電樞繞組中通入的是三相正弦電流，從而電動機可以產(chǎn)生恒定的電磁轉矩，圖1-9a～1.9e分別是PMSM電動機的A相反電動勢與A相電流、A相電磁轉矩、B相電磁轉矩、C相電磁轉矩以及總電磁轉矩。如果電動機旋轉時電樞繞組切割的主磁場是恒定的，并且電樞繞組通入的又是恒定的直流電流，那么電動機也可以產(chǎn)生恒定的電磁轉矩，圖1-9f～1.9j分別是BLDCM電動機A相反電動勢與A相電流、A相電磁轉矩、B相電磁轉矩、C相電磁轉矩以及總電磁轉矩，圖1-9的橫坐標都是轉子電角度。

圖1-7 無換向器電動機的電壓、電流、轉矩波形示意圖

直流電動機的電氣調(diào)速系統(tǒng)大體上有三種：轉速開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、轉速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，見表1-2。為了使交流電氣調(diào)速系統(tǒng)具有類似他勵直流電動機轉速與電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的良好調(diào)速性能，那就不得不研究高性能的控制技術——磁場定向矢量控制技術（Field Orientation Vector Control，F(xiàn)OC）和直接轉矩控制技術（Direct Torque Control，DTC）。

交流電動機的控制性能在FOC控制技術問世以后才得到了質(zhì)的飛躍。FOC控制提倡的是勵磁電流與轉矩電流的解耦控制，從而使磁場控制與轉矩控制得到兼顧，克服了交流電動機自身耦合的不足。直接轉矩控制技術也是基于磁場與轉矩分別獨立控制的思想，但采用的是比較巧妙的技術——具有繼電器特性的砰砰控制和電壓矢量查詢表。

交流電動機是一個非線性、強耦合、高階、多變量的復雜對象，實際運行工況非常復雜，諸多電動機參數(shù)都會發(fā)生著一定程度的變化（受到溫度的影響，電阻會發(fā)生變化；受到磁場飽和的影響，定子、轉子電感會發(fā)生變化；如果使用永磁體勵磁，那么溫度也會影響磁鋼的特性與勵磁的強弱），從而影響著交流電動機的實際控制性能。隨著自動控制技術的發(fā)展，參數(shù)辨識技術、自適應控制技術、基于神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制等先進的控制算法逐步融入到電動機控制技術中，以提高調(diào)速系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和魯棒性。

圖1-8 正弦波氣隙磁場與方波氣隙磁場波形示意圖

圖1-9 PMSM與BLDCM的繞組反電動勢、繞組電流與轉矩的典型波形

表1-2 性能相當?shù)慕恢绷麟妱訖C調(diào)速系統(tǒng)

此外，目前市場上已有JMAG、ANSOFT、FLUX等有限元分析（Finite Element Method，F(xiàn)EM）商業(yè)軟件，能夠?qū)﹄妱訖C內(nèi)部的電磁場、電動機的鐵耗、磁場諧波、磁路飽和等性能進行準確的分析。