永磁同步電機(jī)工作方式

一、發(fā)電機(jī)獲得勵磁電流的幾種方式

1、直流發(fā)電機(jī)供電的勵磁方式：這種勵磁方式的發(fā)電機(jī)具有專用的直流發(fā)電機(jī)，這種專用的直流發(fā)電機(jī)稱為直流勵磁機(jī)，勵磁機(jī)一般與發(fā)電機(jī)同軸，發(fā)電機(jī)的勵磁繞組通過裝在大軸上的滑環(huán)及固定電刷從勵磁機(jī)獲得直流電流。這種勵磁方式具有勵磁電流獨立，工作比較可靠和減少自用電消耗量等優(yōu)點，是過去幾十年間發(fā)電機(jī)主要勵磁方式，具有較成熟的運行經(jīng)驗。缺點是勵磁調(diào)節(jié)速度較慢，維護(hù)工作量大，故在10MW以上的機(jī)組中很少采用。

2、交流勵磁機(jī)供電的勵磁方式，現(xiàn)代大容量發(fā)電機(jī)有的采用交流勵磁機(jī)提供勵磁電流。交流勵磁機(jī)也裝在發(fā)電機(jī)大軸上，它輸出的交流電流經(jīng)整流后供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁，此時，發(fā)電機(jī)的勵磁方式屬他勵磁方式，又由于采用靜止的整流裝置，故又稱為他勵靜止勵磁，交流副勵磁機(jī)提供勵磁電流。交流副勵磁機(jī)可以是永磁測量裝置機(jī)或是具有自勵恒壓裝置的交流發(fā)電機(jī)。為了提高勵磁調(diào)節(jié)速度，交流勵磁機(jī)通常采用100——200HZ的中頻發(fā)電機(jī)，而交流副勵磁機(jī)則采用400——500HZ的中頻發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)的直流勵磁繞組和三相交流繞組都繞在定子槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子只有齒與槽而沒有繞組，像個齒輪，因此，它沒有電刷，滑環(huán)等轉(zhuǎn)動接觸部件，具有工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝方便等優(yōu)點。缺點是噪音較大，交流電勢的諧波分量也較大。

3、無勵磁機(jī)的勵磁方式：

在勵磁方式中不設(shè)置專門的勵磁機(jī)，而從發(fā)電機(jī)本身取得勵磁電源，經(jīng)整流后再供給發(fā)電機(jī)本身勵磁，稱自勵式靜止勵磁。自勵式靜止勵磁可分為自并勵和自復(fù)勵兩種方式。自并勵方式它通過接在發(fā)電機(jī)出口的整流變壓器取得勵磁電流，經(jīng)整流后供給發(fā)電機(jī)勵磁，這種

勵磁方式具有結(jié)簡單，設(shè)備少，投資省和維護(hù)工作量少等優(yōu)點。自復(fù)勵磁方式除設(shè)有整流變壓外，還設(shè)有串聯(lián)在發(fā)電機(jī)定子回路的大功率電流互感器。這種互感器的作用是在發(fā)生短路時，給發(fā)電機(jī)提供較大的勵磁電流，以彌補(bǔ)整流變壓器輸出的不足。這種勵磁方式具有兩種勵磁電源，通過整流變壓器獲得的電壓電源和通過串聯(lián)變壓器獲得的電流源。

同步發(fā)電機(jī)為了實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，需要有一個直流磁場。而產(chǎn)生這個磁場的直流電流，稱為發(fā)電機(jī)的勵磁電流。根據(jù)勵磁電流的供給方式，凡是從其它電源獲得勵磁電流的發(fā)電機(jī)，稱為他勵發(fā)電機(jī)，從發(fā)電機(jī)本身獲得勵磁電源的，則稱為自勵發(fā)電機(jī)。

1、電壓的調(diào)節(jié)

自動調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)可以看成為一個以電壓為被調(diào)量的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。無功負(fù)荷電流是造成發(fā)電機(jī)端電壓下降的主要原因，當(dāng)勵磁電流不變時，發(fā)電機(jī)的端電壓將隨無功電流的增大而降低。但是為了滿足用戶對電能質(zhì)量的要求，發(fā)電機(jī)的端電壓應(yīng)基本保持不變，實現(xiàn)這一要求的辦法是隨無功電流的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流。

2、無功功率的調(diào)節(jié)：

發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)并聯(lián)運行時，可以認(rèn)為是與無限大容量電源的母線運行，要改變發(fā)電機(jī)勵磁電流，感應(yīng)電勢和定子電流也跟著變化，此時發(fā)電機(jī)的無功電流也跟著變化。當(dāng)發(fā)電機(jī)與無限大容量系統(tǒng)并聯(lián)運行時，為了改變發(fā)電機(jī)的無功功率，必須調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流。此時改變的發(fā)電機(jī)勵磁電流并不是通常所說的“調(diào)壓”，而是只是改變了送入系統(tǒng)的無功功率。

3、無功負(fù)荷的分配：

并聯(lián)運行的發(fā)電機(jī)根據(jù)各自的額定容量，按比例進(jìn)行無功電流的分配。大容量發(fā)電機(jī)應(yīng)負(fù)擔(dān)較多無功負(fù)荷，而容量較小的則負(fù)提供較少的無功負(fù)荷。為了實現(xiàn)無功負(fù)荷能自動分配，可以通過自動高壓調(diào)節(jié)的勵磁裝置，改變發(fā)電機(jī)勵磁電流維持其端電壓不變，還可對發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)特性的傾斜度進(jìn)行調(diào)整，以實現(xiàn)并聯(lián)運行發(fā)電機(jī)無功負(fù)荷的合理分配。

按照不同的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的要求，電機(jī)驅(qū)動又分為定速驅(qū)動、調(diào)速驅(qū)動和精密控制驅(qū)動三類。

1、 定速驅(qū)動

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有大量的生產(chǎn)機(jī)械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運行，例如風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、普通機(jī)床等。對這類機(jī)械以往大多采用三相或單相異步電動機(jī)來驅(qū)動。異步電動機(jī)成本較低，結(jié)構(gòu)簡單牢靠，維修方便，很適合該類機(jī)械的驅(qū)動。但是，異步電動機(jī)效率、功率因數(shù)低、損耗大，而該類電機(jī)使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費了。其次，工農(nóng)業(yè)中大量使用的風(fēng)機(jī)、水泵往往亦需要調(diào)節(jié)其流量，通常是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、閥來完成的，這其中又浪費了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、水泵中異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)它們的流量，取得可觀的節(jié)能效果，但變頻器的成本又限制了它的使用，而且異步電動機(jī)本身的低效率依然存在。

例如，家用空調(diào)壓縮機(jī)原先都是采用單相異步電動機(jī)，開關(guān)式控制其運行，噪聲和較高的溫度變化幅度是它的不足。90年代初，日本東芝公司首先在壓縮機(jī)控制上采用了異步電動機(jī)的變頻調(diào)速，變頻調(diào)速的優(yōu)點促進(jìn)了變頻空調(diào)的發(fā)展。近年來日本的日立、三洋等公司開始采用永磁無刷電動機(jī)來替代異步電動機(jī)的變頻調(diào)速，顯著提高了效率，獲得更好的節(jié)能效果和進(jìn)一步降低了噪聲，在相同的額定功率和額定轉(zhuǎn)速下，設(shè)單相異步電動要的體積和重量為100%，則永磁無刷直流電動機(jī)的體積為38.6%，重量為34.8%，用銅量為20.9%，用鐵量為36.5%，效率提高10%以上，而且調(diào)速方便，價格和異步電動機(jī)變頻調(diào)速相當(dāng)。永磁無刷直流電動機(jī)在空調(diào)中的應(yīng)用促進(jìn)了空調(diào)劑的升級換代。

再如儀器儀表等設(shè)備上大量使用的冷卻風(fēng)扇，以往都采用單相異步電動機(jī)外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方式，它的體積和重量大，效率低。近年來它已經(jīng)完全被永磁無刷直流電動機(jī)驅(qū)動的無刷風(fēng)機(jī)所取代?，F(xiàn)代迅速發(fā)展的各種計算機(jī)等信息設(shè)備上更是無例外地使用著無刷風(fēng)機(jī)。這些年，使用無刷風(fēng)機(jī)已形成了完整的系列，品種規(guī)格多，外框尺寸從15mm到120mm共有12種，框架厚度有6mm到18mm共7種，電壓規(guī)格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V，轉(zhuǎn)速范圍從 2100rpm到14000rpm，分為低轉(zhuǎn)速、中轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)速和超高轉(zhuǎn)速4種，壽命30000小時以上，電機(jī)是外轉(zhuǎn)子的永磁無刷直流電動機(jī)。

近年來的實踐表明，在功率不大于10kW而連續(xù)運行的場合，為減小體積、節(jié)省材料、提高效率和降低能耗等因素，越來越多的異步電動機(jī)驅(qū)動正被永磁無刷直流電動機(jī)逐步替代。而在功率較大的場合，由于一次成本和投資較大，除了永磁材料外，還要功率較大的驅(qū)動器，故還較少有應(yīng)用。

2、 調(diào)速驅(qū)動

有相當(dāng)多的工作機(jī)械，其運行速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但速度控制精度要求并不非常高。這類驅(qū)動系統(tǒng)在包裝機(jī)械、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、物料輸送機(jī)械、紡織機(jī)械和交通車輛中有大量應(yīng)用。

在這類調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域最初用的最多的是直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，70年代后隨電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，異步電動機(jī)的變頻調(diào)速迅速滲透到原來的直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。這是因為一方面異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能價格完全可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，另一方面異步電動機(jī)與直流電動機(jī)相比有著容量大、可靠性高、干擾小、壽命長等優(yōu)點。故異步電動機(jī)變頻調(diào)速在許多場合迅速取代了直流調(diào)速系統(tǒng)。

交流永磁同步電動機(jī)由于其體積小、重量輕、高效節(jié)能等一系列優(yōu)點，越來越引起人們重視，其控制技術(shù)日趨成熟，控制器已產(chǎn)品化。中小功率的異步電動機(jī)變頻調(diào)速正逐步為永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所取代。電梯驅(qū)動就是一個典型的例子。電梯的驅(qū)動系統(tǒng)對電機(jī)的加速、穩(wěn)速、制動、定位都有一定的要求。早期人們采用直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其缺點是不言而喻的。70年代變頻技術(shù)發(fā)展成熟，異步電動機(jī)的變頻調(diào)速驅(qū)動迅速取代了電梯行業(yè)中的直流調(diào)速系統(tǒng)。而這幾年電梯行業(yè)中最新驅(qū)動技術(shù)就是永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其體積小、節(jié)能、控制性能好、又容易做成低速直接驅(qū)動，消除齒輪減速裝置；其低噪聲、平層精度和舒適性都優(yōu)于以前的驅(qū)動系統(tǒng)，適合在無機(jī)房電梯中使用。永磁同步電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)很快得到各大電梯公司青睞，與其配套的專用變頻器系列產(chǎn)品已有多種牌號上市。可以預(yù)見，在調(diào)速驅(qū)動的場合，將會是永磁同步電動機(jī)的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步電動機(jī)產(chǎn)品相配的變頻控制器，功率從0.4kW～300kW,體積比同容量異步電動機(jī)小1～2個機(jī)座號，力能指標(biāo)明顯高于異步電動機(jī)，可用于泵、運輸機(jī)械、攪拌機(jī)、卷揚機(jī)、升降機(jī)、起重機(jī)等多咱場合。

3、 精密控制驅(qū)動

① 高精度的伺服控制系統(tǒng)

伺服電動機(jī)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的運行控制中扮演了十分重要的角色，應(yīng)用場合的不同對伺服電動機(jī)的控制性能要求也不盡相同。實際應(yīng)用中，伺服電動機(jī)有各種不同的控制方式，例如轉(zhuǎn)矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。伺服電動機(jī)系統(tǒng)也經(jīng)歷了直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，直至近年來最為引人注目的永磁電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)。最近幾年進(jìn)口的各類自動化設(shè)備、自動加工裝置和機(jī)器人等絕大多數(shù)都采用永磁同步電動機(jī)的交流伺服系統(tǒng)。

② 信息技術(shù)中的永磁同步電動機(jī)

當(dāng)今信息技術(shù)高度發(fā)展，各種計算機(jī)外設(shè)和辦公自動化設(shè)備也隨之高度發(fā)展，與其配套的關(guān)鍵部件微電機(jī)需求量大，精度和性能要求也越來越高。對這類微電機(jī)的要求是小型化、薄形化、高速、長壽命、高可靠、低噪聲和低振動，精度要求更是特別高。例如，硬盤驅(qū)動器用主軸驅(qū)動電機(jī)是永磁無刷直流電動機(jī)，它以近10000rpm的高速帶動盤片旋轉(zhuǎn)，盤片上執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫功能的磁頭在離盤片表面只有0.1～0.3微米處作懸浮運動，其精度要求之高可想而知了。信息技術(shù)中各種設(shè)備如打印機(jī)、軟硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等中所使用的驅(qū)動電機(jī)絕大多數(shù)是永磁無刷直流電動機(jī)。受技術(shù)水平限制，這類微電機(jī)目前國內(nèi)還不能自己制造，有部分產(chǎn)品在國內(nèi)組裝。 ? ?

在改變發(fā)電機(jī)的勵磁電流中，一般不直接在其轉(zhuǎn)子回路中進(jìn)行，因為該回路中電流很大，不便于進(jìn)行直接調(diào)節(jié)，通常采用的方法是改變勵磁機(jī)的勵磁電流，以達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的目的。常用的方法有改變勵磁機(jī)勵磁回路的電阻，改變勵磁機(jī)的附加勵磁電流，改變

可控硅的導(dǎo)通角等。這里主要講改變可控硅導(dǎo)通角的方法，它是根據(jù)發(fā)電機(jī)電壓、電流或功率因數(shù)的變化，相應(yīng)地改變可控硅整流器的導(dǎo)通角，于是發(fā)電機(jī)的勵磁電流便跟著改變。這套裝置一般由晶體管，可控硅電子元件構(gòu)成，具有靈敏、快速、無失靈區(qū)、輸出功率大、體積小和重量輕等優(yōu)點。在事故情況下能有效地抑制發(fā)電機(jī)的過電壓和實現(xiàn)快速滅磁。自動調(diào)節(jié)勵磁裝置通常由測量單元、同步單元、放大單元、調(diào)差單元、穩(wěn)定單元、限制單元及一些輔助單元構(gòu)成。被測量信號（如電壓、電流等），經(jīng)測量單元變換后與給定值相比較，然后將比較結(jié)果（偏差）經(jīng)前置放大單元和功率放大單元放大，并用于控制可控硅的導(dǎo)通角，以達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流的目的。同步單元的作用是使移相部分輸出的觸發(fā)脈沖與可控硅整流器的交流勵磁電源同步，以保證控硅的正確觸發(fā)。調(diào)差單元的作用是為了使并聯(lián)運行的發(fā)電機(jī)能穩(wěn)定和合理地分配無功負(fù)荷。穩(wěn)定單元是為了改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定而引進(jìn)的單元 。勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定單元 用于改善勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性。限制單元是為了使發(fā)電機(jī)不致在過勵磁或欠勵磁的條件下運行而設(shè)置的。必須指出并不是每一種自動調(diào)節(jié)勵磁裝置都具有上述各種單元，一種調(diào)節(jié)器裝置所具有的單元與其擔(dān)負(fù)的具體任務(wù)有關(guān)。

自動調(diào)節(jié)勵磁的組成部件有機(jī)端電壓互感器、機(jī)端電流互感器、勵磁變壓器；勵磁裝置需要提供以下電流，廠用AC380v、廠用DC220v控制電源.廠用DC220v合閘電源；需要提供以下空接點，自動開機(jī).自動停機(jī).并網(wǎng)（一常開，一常閉）增，減；需要提供以下模擬信號，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓100V，發(fā)電機(jī)機(jī)端電流5A，母線電壓100V，勵磁裝置輸出以下繼電器接點信號；勵磁變過流，失磁，勵磁裝置異常等。

勵磁控制、保護(hù)及信號回路由滅磁開關(guān)，助磁電路、風(fēng)機(jī)、滅磁開關(guān)偷跳、勵磁變過流、調(diào)節(jié)器故障、發(fā)電機(jī)工況異常、電量變送器等組成。在同步發(fā)電機(jī)發(fā)生內(nèi)部故障時除了必須解列外，還必須滅磁，把轉(zhuǎn)子磁場盡快地減弱到最小程度，保證轉(zhuǎn)子不過的情況下，使滅磁時間盡可能縮短，是滅磁裝置的主要功能。根據(jù)額定勵磁電壓的大小可分為線性電阻滅磁和非線性電阻滅磁。

近十多年來，由于新技術(shù)，新工藝和新器件的涌現(xiàn)和使用，使得發(fā)電機(jī)的勵磁方式得到了不斷的發(fā)展和完善。在自動調(diào)節(jié)勵磁裝置方面，也不斷研制和推廣使用了許多新型的調(diào)節(jié)裝置。由于采用微機(jī)計算機(jī)用軟件實現(xiàn)的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置有顯著優(yōu)點，目前很多國家都在研制和試驗用微型機(jī)計算機(jī)配以相應(yīng)的外部設(shè)備構(gòu)成的數(shù)字自動調(diào)節(jié)勵磁裝置，這種調(diào)節(jié)裝置將能實現(xiàn)自適應(yīng)最佳調(diào)節(jié)。

獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。目前采用的勵磁方式分為兩大類：一類是用直流發(fā)電機(jī)作為勵磁電源的直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)；另一類是用硅整流裝置將交流轉(zhuǎn)化成直流后供給勵磁的整流器勵磁系統(tǒng)?，F(xiàn)說明如下：

1 直流勵磁機(jī)勵磁 直流勵磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)同軸，采用并勵或者他勵接法。采用他勵接法時，勵磁機(jī)的勵磁電流由另一臺被稱為副勵磁機(jī)的同軸的直流發(fā)電機(jī)供給。如圖15.5所示。

2 靜止整流器勵磁 同一軸上有三臺交流發(fā)電機(jī)，即主發(fā)電機(jī)、交流主勵磁機(jī)和交流副勵磁機(jī)。副勵磁機(jī)的勵磁電流開始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉(zhuǎn)為自勵(有時采用發(fā)電機(jī))。副勵磁機(jī)的輸出電流經(jīng)過靜止晶閘管整流器整流后供給主勵磁機(jī)，而主勵磁機(jī)的交流輸出電流經(jīng)過靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發(fā)電機(jī)的勵磁繞組。(見圖15.6）

3 旋轉(zhuǎn)整流器勵磁 靜止整流器的直流輸出必須經(jīng)過電刷和集電環(huán)才能輸送到旋轉(zhuǎn)的勵磁繞組，對于大容量的同步發(fā)電機(jī)，其勵磁電流達(dá)到數(shù)千安培，使得集電環(huán)嚴(yán)重過熱。因此，在大容量的同步發(fā)電機(jī)中，常采用不需要電刷和集電環(huán)的旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)，如圖15.7所示。主勵磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電樞的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的硅整流器整流后，直接送到主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組。交流主勵磁機(jī)的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機(jī)經(jīng)靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。

優(yōu)點：同步，可當(dāng)發(fā)電機(jī)用

缺點：電刷容易壞，電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高

絕緣電阻測試儀 光纖光纜 拉力試驗機(jī) 油桶泵 高低溫試驗箱 計量泵 合金分析儀 溫度變送器紅外測溫儀 四川短信群發(fā) 復(fù)合鹽霧腐蝕試驗箱 噪音計 攪拌機(jī) 金屬元素分析儀 鮑爾環(huán) 不銹鋼儀表閥門 電磁流量計 電動執(zhí)行器 旋進(jìn)旋渦流量計 壓力變送器

1 引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、新型電機(jī)控制理論和稀土永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電動機(jī)得以迅速的推廣應(yīng)用。永磁同步電動機(jī)具有體積小，損耗低，效率高等優(yōu)點，在節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)日益受到重視的今天，對其研究就顯得非常必要。因此。這里對永磁同步電機(jī)的控制策略進(jìn)行綜述，并介紹了永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的各種控制策略發(fā)展方向。

2 永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)永磁同步電動機(jī)的定子通入三相交流電時，三相電流在定子繞組的電阻上產(chǎn)生電壓降。由三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電樞磁動勢及建立的電樞磁場，一方面切割定子繞組，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；另一方面以電磁力拖動轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。電樞電流還會產(chǎn)生僅與定子繞組相交鏈的定子繞組漏磁通，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)漏電動勢。此外，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場也以同步轉(zhuǎn)速切割定子繞組。從而產(chǎn)生空載電動勢。為了便于分析，在建立數(shù)學(xué)模型時，假設(shè)以下參數(shù)：①忽略電動機(jī)的鐵心飽和；②不計電機(jī)中的渦流和磁滯損耗；③定子和轉(zhuǎn)子磁動勢所產(chǎn)生的磁場沿定子內(nèi)圓按正弦分布，即忽略磁場中所有的空間諧波；④各相繞組對稱，即各相繞組的匝數(shù)與電阻相同，各相軸線相互位移同樣的電角度。

在分析同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型時，常采用兩相同步旋轉(zhuǎn)(d，q)坐標(biāo)系和兩相靜止(α，β)坐標(biāo)系。圖1給出永磁同步電動機(jī)在(d，q)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。

(1)定子電壓方程為：

式中：r為定子繞組電阻；p為微分算子，p=d/dt；id，iq為定子電流；ud，uq為定子電壓；ψd，ψq分別為磁鏈在d，q軸上的分量；ωf為轉(zhuǎn)子角速度(ω=ωfnp)；np為電動機(jī)極對數(shù)。

(2)定子磁鏈方程為：

式中：ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈。

(3)電磁轉(zhuǎn)矩為：

式中：J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量。

若電動機(jī)為隱極電動機(jī)，則Ld=Lq，選取id，iq及電動機(jī)機(jī)械角速度ω為狀態(tài)變量，由此可得永磁同步電動機(jī)的狀態(tài)方程式為：

由式(7)可見，三相永磁同步電動機(jī)是一個多變量系統(tǒng)，而且id，iq，ω之間存在非線性耦合關(guān)系，要想實現(xiàn)對三相永磁同步電機(jī)的高性能控制，是一個頗具挑戰(zhàn)性的課題。

3 永磁同步電動機(jī)的控制策略

任何電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場和電樞磁場相互作用產(chǎn)生的。直流電動機(jī)的主磁場和電樞磁場在空間互差90°，因此可以獨立調(diào)節(jié)；交流電機(jī)的主磁場和電樞磁場互不垂直，互相影響。因此，長期以來，交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能較差。經(jīng)過長期研究，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。

3．1 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，使電動機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。在一些動態(tài)性能要求不高的場所，由于開環(huán)變壓變頻控制方式簡單，至今仍普遍用于一般的調(diào)速系統(tǒng)中，但因其依據(jù)電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，無法獲得理想的動態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。永磁同步電動機(jī)的動態(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，因此要得到精確的動態(tài)控制性能，必須對ω和id，iq解耦。近年來，研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動機(jī)的非線性特性。

3．2 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，對于交流電動機(jī)，目前使用最廣泛的當(dāng)屬矢量控制方案。自1971年德國西門子公司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機(jī)上模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律，磁場定向坐標(biāo)通過矢量變換，將三相交流電動機(jī)的定子電流分解成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使這兩個分量相互垂直，彼此獨立，然后分別調(diào)節(jié)，以獲得像直流電動機(jī)一樣良好的動態(tài)特性。因此矢量控制的關(guān)鍵在于對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，最終的實施是對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，而且對電動機(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。

3．3 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。針對矢量控制的這一缺點，德國學(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，利用離散的兩點式控制直接對電動機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點。DTC最早用于感應(yīng)電動機(jī)，1997年L Zhong等人對DTC算法進(jìn)行改造，將其用于永磁同步電動機(jī)控制，目前已有相關(guān)的仿真和實驗研究。

DTC方法實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制。在得到電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩值后，即可對永磁同步電動機(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。它由永磁同步電動機(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DTC的研究已取得了很大的進(jìn)展，但在理論和實踐上還不夠成熟，例如：低速性能、帶負(fù)載能力等，而且它對實時性要求高，計算量大。

3．4 解耦控制

永磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型經(jīng)坐標(biāo)變換后，id，id之間仍存在耦合，不能實現(xiàn)對id和iq的獨立調(diào)節(jié)。若想使永磁同步電動機(jī)獲得良好的動、靜態(tài)性能，就必須解決id，iq的解耦問題。若能控制id恒為0，則可簡化永磁同步電動機(jī)的狀態(tài)方程式為：

此時，id與iq無耦合關(guān)系，Te=npψfiq，獨立調(diào)節(jié)iq可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線性化。實現(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id，iq的完全解耦，但實現(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)脑鲆妫⑹冀K使控制器的參考輸入指令id*=O，可得到id≈id*=0，iq≈iq*o，這樣就獲得了永磁同步電動機(jī)的近似解耦。圖3給出基于矢量控制和id*=O解耦控制的永磁同步電動機(jī)

調(diào)速系統(tǒng)框圖。

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現(xiàn)電動機(jī)電流和轉(zhuǎn)速的靜態(tài)解耦，若實現(xiàn)動態(tài)耦合會影響電動機(jī)的控制精度。另外，電流型解耦控制通過使耦合項中的一項保持不變，會引入一個滯后的功率因數(shù)。

4 結(jié)語

上述永磁同步電動機(jī)的各種控制策略各有優(yōu)缺點，實際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)性能要求采用與之相適應(yīng)的控制策略，以獲得最佳性能。永磁同步電動機(jī)以其卓越的性能，在控制策略方面已取得了許多成果，相信永磁同步電動機(jī)必然廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。