變頻技術(shù)在永磁同步電動機系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展

    　一、 永磁同步電動機(PMSM)系統(tǒng)發(fā)展的原因

　　近年來，PMSM系統(tǒng)發(fā)展迅猛，究其原因是：

　　1. 節(jié)省能源最有效的電動機

　　電動機幾乎消耗了許多國家工業(yè)用電的2/3，出于節(jié)能和環(huán)保考慮，包括我國在內(nèi)的世界上許多國家對電動機系統(tǒng)的節(jié)能均給予了高度重視。PMSM無需從電網(wǎng)吸取無功電流建立氣隙磁場，無激磁損耗，從而顯著提高了效率和功率因數(shù)，比異步電動機具有更顯著的綜合節(jié)能效果，是今后最有發(fā)展前途的電動機。

　　2. 可方便地實現(xiàn)群控

　　PMSM的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速是同步的，電壓源型變頻器可以為多臺電動機同時供電。隨著變頻器輸出頻率的改變，多臺電動機可嚴格同步，實現(xiàn)群控。

　　3. 結(jié)構(gòu)簡單、體積緊湊、無炭刷、無需維護、可靠性高

　　PMSM沒有激磁繞組，不需集電環(huán)和炭刷，變頻器方便地解決了同步電動機的自起動，從而省去了傳統(tǒng)異步起動時轉(zhuǎn)子上的阻尼繞組。高性能的釹鐵硼永磁材料產(chǎn)生的主磁場等使PMSM結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，無須維護，可靠性高。特別適合制成高密度電動機，應(yīng)用于汽車以及在噴漆機器人等惡劣環(huán)境下工作。

　　4. 運動控制系統(tǒng)需要全數(shù)字化、智能化的PMSM

　　因為生產(chǎn)自動化和高質(zhì)量生活的要求，使電動機控制系統(tǒng)從以往僅需速度調(diào)節(jié)發(fā)展到定位控制和運動軌跡的控制，即需要伺服系統(tǒng)具有快速響應(yīng)、平穩(wěn)、精確和可靠等性能，而PMSM系統(tǒng)能全面滿足以上要求。

　　5. 符合新技術(shù)發(fā)展趨勢

　　PMSM系統(tǒng)滿足了從機械傳動到電氣傳動，電氣傳動又從直流到交流發(fā)展趨勢的要求。20世紀(jì)90年代誕生的船用電力推進器就是這一趨勢的代表，它為船舶推進技術(shù)帶來了新路。

　　　二 PMSM伺服系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)

　　自上世紀(jì)80年代以來，隨著現(xiàn)代電機技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)取得了突破性進展。以下介紹當(dāng)前發(fā)展最活躍的PMSM伺服系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)。

　　該系統(tǒng)(如圖1)主要包括電動機、功率驅(qū)動單元、位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元和通信接口等。

　　1. 電動機

　　最典型的為PMSM。PMSM定子多采用三相正弦交流電驅(qū)動，轉(zhuǎn)子則采用多對極的永磁轉(zhuǎn)子。高性能的PMSM的定子則由快速電流跟蹤的電壓型變頻器供電，以盡可能減小諧波轉(zhuǎn)矩。為了減小低速時轉(zhuǎn)矩波動，還采用分數(shù)槽繞組、斜槽、大氣隙、小槽口等措施以減小定位轉(zhuǎn)矩或齒槽轉(zhuǎn)矩。為獲得與直流電動機一樣優(yōu)良的線性轉(zhuǎn)矩特性，常對PMSM實施矢量變換控制；實現(xiàn)磁場定向控制，所以對變頻器有特殊要求。

　　2. 功率驅(qū)動單元

　　功率驅(qū)動單元采用交—直—交電壓源型的變頻器。整流部分采用三相不可控全橋整流，逆變部分則采用快速電流跟蹤的PWM調(diào)制，也有采用SVPWM調(diào)制的。變頻器能對PMSM實施矢量變換控制，對恒轉(zhuǎn)矩控制，一般令直軸電流 Id=0，以上功能需用專門變頻器實現(xiàn)。為避免電動機制動時產(chǎn)生高的泵升電壓，須具有能耗泄放電路。近年來為防止對電網(wǎng)的諧波污染以及實施電動機的四象限運行，出現(xiàn)了雙PWM調(diào)制的變頻器。逆變器部分常用集成電路、保護電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊(IPM)。

　　3. 控制單元

　　數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制單元實現(xiàn)圖1虛線框內(nèi)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制等功能?，F(xiàn)在市場上的電機控制專用DSP芯片，集成了多種控制電路，并具有快速的數(shù)據(jù)處理能力。

　　4. 位置反饋單元

　　為實時檢測轉(zhuǎn)子位置，實現(xiàn)矢量變換控制，必須配備位置反饋單元—位置傳感器，一般采用高分辨力的旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、磁編碼器等。目前普遍采用光電編碼器，它可直接輸出數(shù)字信號，且具有慣量小、噪聲低、精確度高、成本低的優(yōu)點。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出兩相正交波形，可輸出轉(zhuǎn)子的絕對位置，但其解碼電路復(fù)雜，價格昂貴。磁編碼器是依靠磁極的變化來檢測位置的，目前尚處于研究階段，且分辨率較低。

　　盡管目前已有上述諸多類型位置傳感器可供伺服系統(tǒng)選用，但國內(nèi)外仍然有很多人開展用于PMSM伺服系統(tǒng)的無機械位置傳感器的研究，其原因是：

　　(1)機械傳感器增加了電機旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，加大了電機尺寸和體積，而電機與控制系統(tǒng)之間的連接線和接口電路，導(dǎo)致系統(tǒng)易受干擾，使可靠性降低。

　　(2)機械傳感器對使用條件如溫度、濕度和振動有一定要求，限制了使用場合。

　　(3)機械傳感器及其輔助電路使調(diào)速系統(tǒng)成本增加。

　　不用機械傳感器的系統(tǒng)，為獲得轉(zhuǎn)子的位置及速度信息，需利用PMSM定子繞組中的有關(guān)電信號，通過適當(dāng)方法估算出轉(zhuǎn)子的位置和速度，從而取代機械傳感器實現(xiàn)電機系統(tǒng)的控制。

　　三 PMSM系統(tǒng)的典型應(yīng)用

　　例如采用PMSM的平縫機，即為全數(shù)字化的永磁同步伺服系統(tǒng)應(yīng)用在高性能機械設(shè)備中的一例。PMSM體積小、重量輕，可以置入縫紉機車頭內(nèi)，采用PMSM的縫紉機，停車準(zhǔn)確、調(diào)速范圍廣，使縫紉機多功能化，效率提高。
　　在以上三種應(yīng)用中，伺服系統(tǒng)均采用了矢量控制技術(shù)，使PMSM獲得與直流電機一樣優(yōu)良的線性轉(zhuǎn)矩控制特性，無論在電動機的低速運行區(qū)或高速運行區(qū)，其起動、制動性能、穩(wěn)態(tài)性能和抗干擾特性均達到甚至超過直流伺服系統(tǒng)。在高精度系統(tǒng)中，其調(diào)速范圍已近100000∶1，在通用系統(tǒng)中，調(diào)速范圍可達5000∶1至10000∶1?？梢哉f，矢量控制技術(shù)經(jīng)30多年的研究完善，已經(jīng)形成完整的控制理論和方法，并在生產(chǎn)實踐中得到廣泛應(yīng)用。