【正文】 信號轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械裝置。 由于永磁體的益處很多 ， 在電機(jī)中用永磁材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的勵(lì)磁繞組 ， 已成為 新型高效節(jié)能電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 不過在發(fā)展高性 能 PMSM 中也遇到幾個(gè) “ 瓶頸 ” 問題有待于作更深入的研究和探索 [7]。 （ 3）求解運(yùn)動(dòng)方程。尤其在輕載和空載情況下，要比異步電機(jī)高許多。利用電機(jī)的矢量圖，分析影響永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的因素。所以，供電部門對用電單位的功率因數(shù)有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。因無勵(lì)磁電流，其空載損耗小。 (1)根據(jù)實(shí)測負(fù)載率適當(dāng)調(diào)換電機(jī)，以保證適當(dāng)?shù)呢?fù)載率。對于永磁同步電動(dòng)機(jī)，勵(lì)磁是恒定的，但是調(diào)整外部電壓 U 相當(dāng)于調(diào)整勵(lì)磁電流 If， U=f(Ia)。 PMSM 的狀態(tài)方程： ??????????????????????????????????????????????????LuLuiiLRLLLLLRiiqfrqddqdqqdrdqrdsqdpp????1 （ 36） 式中 p 為微分算子。 （ 2）矢量控制 由于矢量 控制理論 [8]需要坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換、矢量運(yùn)算以及高速的數(shù)字信號處理器，所以在最初幾年里，該理論一直無法實(shí)得到證實(shí)，直到 1979 年，日本首次將該技術(shù)用于異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)造紙機(jī)，僅過一年，日本又將該技術(shù)首次引入永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)軋鋼機(jī)。針對矢量控制的這一缺點(diǎn)，提出了直接轉(zhuǎn)矩控制 [9]。 （ 5） 功率因數(shù)控制 上面我們已經(jīng)討論了比較常用的矢量控制和轉(zhuǎn)矩電流最大比控制，無論是哪種控制方法都是優(yōu)缺點(diǎn)并存的。 (2)高度集成化 永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的仿真分析 轉(zhuǎn)矩電流最大比控制模型 13 微電子技術(shù)的發(fā)展 ， CPLD、 FPGA 等大規(guī)模可編程邏輯器件的應(yīng)用，使得控制電路設(shè)計(jì)更加靈活，速度響應(yīng)更加快捷，硬件電路設(shè)計(jì)更易實(shí)現(xiàn)一體化，制系統(tǒng)的集成度更高，電機(jī)控制系統(tǒng)的安裝和調(diào)試等工作更 加靈活。同時(shí)發(fā)展高精度的速 度及位置檢測器件和實(shí)現(xiàn)無傳感器檢測 — 克服因檢測誤差對控制器調(diào)節(jié)性能的影響。所以高轉(zhuǎn)矩、大容量場合宜采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制 ； 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制中 ，電樞電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢的效果為去磁 效應(yīng)，這種去磁效應(yīng)可以用來實(shí)現(xiàn)弱磁調(diào)速。 轉(zhuǎn)矩電流最大比仿真與功率因數(shù)分析 無論我們采用哪種控制方式，最終都是為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速[20]，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，系統(tǒng)具有快速響應(yīng)性 [17]。 CACULATE模塊是一個(gè)封裝子系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了根據(jù)定子電流幅值計(jì)算定子電流相對于交軸的相位角 γ 的運(yùn)算。通過調(diào)節(jié)和優(yōu)化 PI 參數(shù)，在上述仿真系統(tǒng)中，當(dāng)給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為 1500rpm 時(shí)，仿真結(jié)果如圖 43 所示。 （橫坐標(biāo)：時(shí)間 s，縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)矩 N? m）（橫坐標(biāo)：時(shí)間 s，縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)速 rpm） 圖 46(a) 電磁轉(zhuǎn)矩 圖 46(b) 轉(zhuǎn)速 （橫坐標(biāo)：時(shí)間 s，縱坐標(biāo)：電流 A） 圖 46(c) A 相電流 永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的仿真分析 轉(zhuǎn)矩電流最大比控制模型 19 （橫坐標(biāo)：時(shí)間 s，縱坐標(biāo)：電壓 V） 圖 46(d) A 相電壓 （橫坐標(biāo)：時(shí)間 s，縱坐標(biāo)：電流 A） 圖 46(e) 直軸和交軸電流 在帶 10N? m負(fù)載的情況下穩(wěn)定運(yùn)行，仿真分析電機(jī)功率因數(shù)角度如下圖47 所示。在電機(jī)運(yùn)行在 3000rpm 時(shí)的功率因數(shù)明顯比矢量控制系統(tǒng)中要高很多。與電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有損耗小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)，因此獲得廣泛的應(yīng)用。 其他功率因數(shù)下的仿真分析 給定電機(jī)功率因數(shù)角度為 ?30 時(shí)，仿真結(jié)果如圖 53 所示。傳統(tǒng)的矢量控制技術(shù)在磁場完全解耦的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定的控制。通過一系列的仿真，驗(yàn)證了該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)功率因數(shù)的控制。分析了同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的理論，在此基礎(chǔ)上深入研究了永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)與永磁體以及電源之間的關(guān)系，通過仿真驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果。 （橫坐標(biāo)：時(shí)間 s，縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)矩 N? m） 圖 54(a) 電磁轉(zhuǎn)矩 （橫坐標(biāo)：時(shí)間 s，縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)速 rpm） 圖 54(b) 轉(zhuǎn)速 28 （橫坐標(biāo)：時(shí)間 s，縱坐標(biāo)：電流 A） 圖 54(c) 直交軸電流 （橫坐標(biāo)：時(shí)間 s，縱坐標(biāo)：角度 度） 圖 54(d) 功率因數(shù)角度 電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下，帶負(fù)載為 5N? m 時(shí)，由圖 54 可知，電流矢量由 q 軸轉(zhuǎn)移到超前于電壓矢量 10? 的位置，此時(shí) 電流直軸分量不為零，且比功率因數(shù)為 1 時(shí)的幅值更大。 功率因數(shù)的仿真分析 給定功率因數(shù)角為 0 的仿真分析 給定功率因數(shù)角度為 0 時(shí)仿真結(jié)果如圖 52 所示 。調(diào)速系統(tǒng)必須保證電機(jī)所需電源在逆變器能夠輸出的最大容量范圍內(nèi)。 (橫坐標(biāo)：時(shí)間 s，縱坐標(biāo)：角度 度 ) 圖 47 負(fù)載為 10N? m時(shí)功率因數(shù)波形 在給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為 3000rpm時(shí)，電機(jī)負(fù)載在 時(shí)由 5N m? 升高到 10N? m 時(shí)，控制系統(tǒng)的仿真波形如圖 48 所示。因?yàn)橹陛S電流分量為負(fù)值，所以定子電流矢量超前于交軸，由此可以判斷定子電流矢量超前于交軸的角度為 arctg (| id / iq |)= 。圖 41 中最后一個(gè)模塊是永磁同步電動(dòng)機(jī)的封裝形式，電機(jī)的輸入信號有負(fù)載轉(zhuǎn)矩和來自逆變器的三相電源，輸出參數(shù)可以根據(jù)需要來選擇，必須要有實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流以及轉(zhuǎn)子位置的電角度信號以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換。然后通過 dq 到 abc 的坐標(biāo)變換計(jì)算得到定子三相電流的給定值。最大轉(zhuǎn)矩電流比控制可以減小電機(jī)銅耗，提高運(yùn)行效率，從而是整個(gè)系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化。 當(dāng)定子電流一定時(shí)，存在一個(gè)電流相位角使輸出轉(zhuǎn)矩值最大，這種控制方法可以得到最大轉(zhuǎn)矩電流 比 。 (4)模塊化和網(wǎng)絡(luò)化 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)及各類現(xiàn)場總線的應(yīng)用是工廠自動(dòng)化工程技術(shù)的發(fā)展趨勢，各類控制器的模塊化是實(shí)現(xiàn)該控制方法的基礎(chǔ)。 本文下面將專門研究永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)問題，在討論電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，分析永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的相關(guān)問題，并且針對廣 泛應(yīng)用的控制系統(tǒng)分析永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)特性，最后建立仿真模型控制電機(jī)的功率因數(shù)。因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)也采用最大轉(zhuǎn)矩控制及其他特殊控制方法。矢量控制的前提是獲得轉(zhuǎn)子磁場的準(zhǔn)確位置，通常通過安裝絕對編碼器等轉(zhuǎn)子位置傳感器來獲得轉(zhuǎn)子磁場的準(zhǔn)確位置。 采用 23 變換，靜止坐標(biāo)系 ??與 abc 的關(guān)系為 ： ????????????????????????????????cbaiiiii232302121132?? （ 38） 采用 32 變換， abc 坐標(biāo)系與 ??的變換關(guān)系為： ??????????????????????????????????????iiiiicba232123210132 （ 39） 采用 abc/dq 變換，有： 永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的仿真分析 轉(zhuǎn)矩電流最大比控制模型 11 ??????????????????????????????????cbaqdiiiii)32s i n ()32s i n (s i n)32c o s ()32c o s (c o s32?????????? （ 310） 采用 dq/abc 變換，有： ????????????????????????????????????????qdcbaiiiii)32s i n ()32c o s ()32s i n ()32c o s (s i nc o s32?????????? （ 311） 永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制策略 PMSM 的高性能控制策略 [6]主要有以下幾種： （ 1） 變壓變頻控制 控制變量為電機(jī)的外部變量，即電壓和頻率。對于永磁同步電動(dòng)機(jī)我們可以通過控制定子電流，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)綜合磁場的效果，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)功率因數(shù)的控制。 (5)當(dāng)運(yùn)行電壓低于永磁電機(jī)的反電勢點(diǎn)時(shí)，可調(diào)節(jié)變壓器分接開關(guān)，適當(dāng)提高二次電壓的幅值，使電機(jī)運(yùn)行電壓在反電勢點(diǎn)附近，提高功率因數(shù)。因此，電網(wǎng)電壓波動(dòng)會(huì)造成電機(jī)的功率因數(shù)波動(dòng)，補(bǔ)償困難。式中第一項(xiàng) Pe1= ?sin0xdUmE 稱為基本電磁功率；第二項(xiàng) Pe2= ?2s in1122 ???????? ? xdxqmU稱為附加電磁功率。 永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的仿真分析 轉(zhuǎn)矩電流最大比控制模型 5 2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù) 永磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的基本概念 功率因數(shù)的大小與 電路 的負(fù)荷 性質(zhì)有關(guān) ， 如白熾燈泡、 電阻 爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為 1，一般具有 電感 性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小 于 1。它有利于降低定子電流和繞組銅耗 ， 提高效率，使永磁同步電動(dòng)機(jī) 擁有比異步電動(dòng)機(jī)高得 4 多的力能指標(biāo)。 ?（ 3） 變分法 ：設(shè)電機(jī)系統(tǒng)的總能量為 T，總勢能為 V，系統(tǒng)的拉格朗日狀態(tài)函數(shù) L=TV， I 為 L 的積分 I=?21ttLdt 變分法是通過求 I 的極值所得到的方程。 永磁同步電機(jī) （ PMSM） 的發(fā)展趨勢 ： PMSM 伺服系統(tǒng)從其應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)和自身技術(shù)的發(fā)展來看，將會(huì)朝著以下兩個(gè)方向發(fā)展 ： 一是適用于簡易教控機(jī) 床、辦公自動(dòng)化設(shè)備、家用電器、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備以及對性能要求不高的工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域的簡易、低成本 PMSM 伺 服 系統(tǒng)；另一方向則是向適用于高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器 人 、特種加工設(shè)備精細(xì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)以及航空、航天用的高性能全數(shù)字化、 智 能 化、 柔性化 的 PMSM 伺服系統(tǒng)發(fā)展 [19]。而永磁交 流 電動(dòng)機(jī)指的是帶有永磁轉(zhuǎn)子的多相同步電動(dòng)機(jī) ， 所以常被稱為永磁同步電動(dòng)機(jī) (PMSM)。就信號轉(zhuǎn)換功能的控制電機(jī)而言，大體上有測速電機(jī) [2]、伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器和自整角機(jī)等幾種，這些電機(jī)主要用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為檢測、執(zhí)行、隨動(dòng)和解算元件，例如機(jī)床加工的自動(dòng)控制，艦船方向舵的自動(dòng)控制，大炮和雷達(dá)的自動(dòng)定位，飛機(jī)的飛行控制，計(jì)算機(jī)、自動(dòng)記錄儀表 運(yùn)行的控制