【文章內(nèi)容簡介】 步電動機(jī)用途不同、電動機(jī)矢量的控制方法也各不相同?？刹捎玫目刂品椒ㄖ饕校嚎刂?、恒磁鏈控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制、最大輸出功率控制等。不同的電流控制方法具有不同的優(yōu)缺點，其中最為簡單，恒磁鏈控制可增大電動機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩等。在本系統(tǒng)中，由于對永磁同步電機(jī)控制時采用的數(shù)學(xué)模型為電壓模型，所以電壓調(diào)節(jié)器可以采用控制，調(diào)節(jié)器可采用PI調(diào)節(jié)的簡單控制。時，從電動機(jī)端口看，相當(dāng)于一臺他勵直流電動機(jī)，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交。電動機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，其值為圖5 控制時的時間相量圖控制時的時間相量圖如圖5所示。從圖中可以看出，反電動勢相量與定子電流相量同相。對表面凸出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機(jī)來說，此時單位定子電流可獲得最大的轉(zhuǎn)矩?；蛘哒f，在產(chǎn)生所要求轉(zhuǎn)矩的情況下，只需最小的定子電流，從而使銅耗下降，效率有所提高。這也是表面凸出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機(jī)通常采用控制的原因。采用控制時，電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速既取決于逆變器可提供的最高電壓，也決定于電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。電動機(jī)可達(dá)到的最高電壓越大，輸出轉(zhuǎn)矩越小，則最高轉(zhuǎn)速越高。通過上面的分析，可知電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的根本就是調(diào)節(jié)輸出給電機(jī)的電壓?？梢圆捎靡粋€簡單的PI調(diào)節(jié)器來控制電壓的變化以達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，響應(yīng)速度快且調(diào)節(jié)精度高。電壓調(diào)節(jié)的思想基本就是當(dāng)電機(jī)需要升速時，就把輸出電壓加大；反之就減小輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)器的輸出為電機(jī)三相相電壓的最大值u（其中u），為直流母線電壓。 （4）轉(zhuǎn)子相位估計永磁同步電動機(jī)實際上就是一個交流同步電動機(jī)，要想實現(xiàn)在負(fù)載變化的情況下穩(wěn)定和可靠地運行，必須根據(jù)瞬時的轉(zhuǎn)子位置對電機(jī)的定子電流進(jìn)行控制。因此PMSM的控制必須是在已知電機(jī)轉(zhuǎn)子瞬時位置的前提下完成的，由于氣隙磁場的波形是正弦波，所以在電機(jī)的三相中依次通入正弦波電流，就可以使電機(jī)轉(zhuǎn)子受到一個恒定大小和轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。從前面的圖3可以看出，通過位置傳感器只能檢測到4個電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，其他的位置仍然需要進(jìn)行位置估計。如果對于轉(zhuǎn)子的相位計算不準(zhǔn)，則會使整個系統(tǒng)根本無法穩(wěn)定而可靠的工作。因為各相相位的控制邏輯象一條“鎖鏈”。一個環(huán)節(jié)的控制因擾動而出現(xiàn)偏差，則會直接影響下一個環(huán)節(jié)。一旦轉(zhuǎn)子位置的估算出現(xiàn)較大的偏差，則控制系統(tǒng)自動消除偏差的能力較弱，如果較大的轉(zhuǎn)子位置估算偏差不能及時消除而形成積累，會導(dǎo)致整個換相控制邏輯的錯亂，而使電機(jī)無法工作。 （5）轉(zhuǎn)子相位估計算法為了使轉(zhuǎn)子位置估算出現(xiàn)的偏差能夠及時的自動消除，在相位估計的算法中我們引入了電機(jī)的實際相角（），電機(jī)的驅(qū)動相角（）和相角增量的概念。調(diào)節(jié)器對相位調(diào)整發(fā)生在AB傳感器的每一次電平變化時，、b、c、d四個位置。在這四個位置上，電機(jī)的實際相角（）分別為0度，90度，180度，270度。而電機(jī)的驅(qū)動相角則是通過如下式計算的。（i）＝（i1）+ 由于在頻率為的正弦波的一個周期中要進(jìn)行次相位計算，所以每次相角的增量＝其中為當(dāng)前電機(jī)的頻率，為PWM的開關(guān)頻率。由于電機(jī)的實際相角（）和電機(jī)的驅(qū)動相角（）的引入，轉(zhuǎn)子位置的估算變成了對這個變量的控制，每個周期中進(jìn)行四次調(diào)節(jié)，使其跟隨。因此電機(jī)運行各點變成了一個相關(guān)的整體。一次轉(zhuǎn)子位置的估算出現(xiàn)較大的偏差會對造成影響，但是接下來的轉(zhuǎn)子位置估算會很快發(fā)現(xiàn)并消除偏差對造成的影響。故會使電機(jī)的穩(wěn)定運行不會因為運行過程中的擾動而破壞，從而極大的增加了電機(jī)運行過程中的穩(wěn)定性和可靠性，這樣就解決了永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子相位估算。由上面的分析可以看出該算法的核心流程：首先，計算從AB傳感器獲得當(dāng)前電機(jī)的頻率。由＝計算，然后再計算出當(dāng)前的電機(jī)驅(qū)動相位角（i）＝（i1）+ 。 其次，構(gòu)造由到的調(diào)節(jié)器。從控制原理上講，這一過程是最重要的環(huán)節(jié)，需要用一個快速的PI跟隨調(diào)節(jié)器來完成。最后輸出經(jīng)過估算和調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)子相位。 （6）逆變控制器技術(shù)該部分利用檢測到的母線電壓值把輸入的電機(jī)電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PWM波占空比，并在保證死區(qū)時間的前提下，按照相應(yīng)的相序送入功率器件的觸發(fā)端子上。此部分的程序一定要保證準(zhǔn)確性及可靠性，否則就會造成主電路上下橋臂直通的短路事故。通過前面幾個調(diào)節(jié)器的工作（包括第六章講的弱磁調(diào)節(jié)器），逆變控制器獲得了三相正弦相電壓的最大值u，轉(zhuǎn)子的相位和弱磁超前角a，則可以通過下式計算三相正弦相電壓。所以此時三相SPWM波的占空比分別為：。把三相占空比再轉(zhuǎn)換為相應(yīng)寄存器的值，同時進(jìn)行死區(qū)時間限制和滿占空比限制，然后更新輸出的SPWM波，觸發(fā)IPM模塊驅(qū)動電機(jī)。 （7）故障處理程序在電機(jī)運行過程中，如果出現(xiàn)故障，就需要立刻處理故障，并使電機(jī)停下來，否則可能毀壞控制電路甚至電機(jī)。故障處理程序?qū)z測的母線電壓進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)直流母線電壓高于360伏或低于220伏，即交流市電高于260伏或低于160伏時。DSP記錄電壓故障，并作故障處理。定子電流可以通過DSP的ISENSE端讀入。當(dāng)定子電流超過保護(hù)設(shè)定值，DSP記錄電流故障，同時做故障處理。當(dāng)電機(jī)受外力卡死或?qū)е率Р剑蚴茿B傳感器斷線時，AB傳感器輸出波形的周期會發(fā)生突變，DSP記錄電機(jī)故障，并做故障處理。故障處理的主要工作就是保護(hù)功率模塊和電機(jī)，所以應(yīng)該立刻關(guān)斷IPM使電機(jī)停下，然后把上述的故障記錄寫入外接的E2PROM中，然后使DSP進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，即禁止所有的中斷和輸入輸出。延時3分鐘后重新復(fù)位啟動DSP。 （8）創(chuàng)新的基于超前角控制的弱磁控制算法 A、弱磁控制的基本原理永磁同步電動機(jī)弱磁控制的思想來自他勵直流電動機(jī)的調(diào)磁控制。當(dāng)他勵直流電動機(jī)電樞端電壓達(dá)到最高電壓時，為使電動機(jī)能恒功率運行于更高的轉(zhuǎn)速，應(yīng)降低電動機(jī)的勵磁電流，以保證電壓的平衡。換句話說，他勵直流電動機(jī)可通過降低勵磁電流而弱磁增速。永磁同步電動機(jī)的勵磁磁動勢因由永磁體產(chǎn)生而無法調(diào)節(jié)，只有通過調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來達(dá)到弱磁增速的目的。永磁同步電動機(jī)的電壓方程式在d－q兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下有如下的表示方法：式中和分別為d軸和q軸的電樞電壓分量；和分別為d軸和q軸的電樞電流分量；為電樞電阻，、為電樞電感；為每對永磁磁鐵的電樞磁鏈；為電動機(jī)轉(zhuǎn)子角速度。對永磁式同步電動機(jī)系統(tǒng)，通?？闪頳軸的電樞電流為零。穩(wěn)態(tài)時，永磁式同步電動機(jī)的線電壓為永磁式同步電動機(jī)的電樞電流由電壓型變頻器控制，其線電壓和電流最大值必須小于逆變器直流環(huán)節(jié)的電壓和電流最大值（和），否則電樞電流難以控制。所以有一個電流極限圓和一個電壓極限圓：即 隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，減小，又因為為常數(shù)，所以，將隨的增大而減小。由上式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動機(jī)電壓達(dá)到逆變器所能輸出的最高電壓時。要想繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速只有靠調(diào)節(jié)和來實現(xiàn)。增加電動機(jī)直軸去磁電流分量和減小交軸電流分量，以維持電壓平衡關(guān)系，都可得到“弱磁”效果，前者“弱磁”能力與電動機(jī)直軸電感直接相關(guān)，后者與交軸電感相關(guān)。由于電動機(jī)相電流也有一定極限，增加直軸去磁電流分量而同時保證電樞電流不超過電流極限值，交軸電流分量就相應(yīng)減小。因此，一般是通過增加直軸去磁電流來實現(xiàn)弱磁增速的。如圖6所示表現(xiàn)出了不同值的電壓橢圓軌跡，處于橢圓內(nèi)的，值可以滿足相應(yīng)的值。永磁同步電動機(jī)的運行范圍是受以滿足電流極限橢圓和電壓極限橢圓為條件限制的，即電機(jī)的電流矢量（其分量為，）應(yīng)處于兩曲線共同包圍的面積內(nèi)。由圖中可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速（）升高，分量絕對值趨于增大，相應(yīng)的分量必須減小，因此，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨轉(zhuǎn)速升高而下降，顯示出恒功率的特性。由上述分析可知，弱磁升速的過程實際上是一個保持線電壓不變的情況下，減低輸出轉(zhuǎn)矩的過程。也就是調(diào)整交軸和直軸的電流分量在受限范圍內(nèi)的分配關(guān)系。圖6 電流和電壓矢量的限制給永磁同步電動機(jī)三相對稱的定子繞組通入三相對稱電流會在氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速為，式中f為轉(zhuǎn)子電源頻率；為電動機(jī)極對數(shù)。永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁材料構(gòu)成，在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生一個恒定磁場，此時，轉(zhuǎn)子可以看成一塊磁鐵。由電機(jī)統(tǒng)一理論知道，兩磁場在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時，必須保持相對靜止，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機(jī)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由轉(zhuǎn)速的表達(dá)式可知，改變同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的主要方法是改變供電電源的頻率，即變頻調(diào)速。 B、弱磁控制的實現(xiàn)通過以上分析，本文提出了一種基于超前角（Angle Advance）控制的弱磁控制算法，可以如下實現(xiàn)：通過電機(jī)的位置傳感器獲得電機(jī)的當(dāng)前電角度＝，通過前面所介紹的相位校正的方法進(jìn)行相位的估計和校準(zhǔn)。令。如圖7所示。在正常工作狀態(tài)下，一般有＝0。在弱磁時，適當(dāng)增大的值，可以增加分量，減弱氣隙磁通，達(dá)到弱磁升速的目的。其中角我們稱為超前角（Angle Advance）。在計算中還要保證滿足電流極限圓：，和電壓極限圓：的限制。不能使電壓和電流的最大值超過極限值。保證IPM模塊的安全工作。圖7 電流矢量圖將和進(jìn)行d－q逆變換，變換為三相電流信號。如下式：在做電壓控制中，可以把上式換算為三相電壓信號，如下式所示：其中u為相電壓的最大值，u。通過如上分析可以發(fā)現(xiàn)，其實對于程序中弱磁控制的根本就是對超前角a的控制，增大超前角，可以增加轉(zhuǎn)速；減小超前角則降低轉(zhuǎn)速。對于超前角的控制，可以采用PI調(diào)節(jié)器，基本能保證響應(yīng)速度快調(diào)節(jié)精度高。 （9）產(chǎn)品技術(shù)性能在系統(tǒng)調(diào)試過程中，我們選擇了一臺進(jìn)口永磁同步電動機(jī)作為控制對象。通過上述控制系統(tǒng)對該電機(jī)進(jìn)行控制實驗，我們?nèi)〉昧撕芎玫目刂菩Ч?。實現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)定啟動，低速大轉(zhuǎn)矩和高速小轉(zhuǎn)矩電機(jī)調(diào)速。采用非弱磁控制時，可以在0～300r/min實現(xiàn)調(diào)速；采用弱磁控制后可以達(dá)到0～1200r/min實現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速。, （a）圖和（b）圖均相位不相關(guān)。電機(jī)極對數(shù)外轉(zhuǎn)子，12對極，星型接法電機(jī)額定功率400W電機(jī)轉(zhuǎn)速300r/min/300VDC轉(zhuǎn)矩16Nm/125r/minAB霍爾傳感器EXE/525反電動勢正弦波電機(jī)線電阻交軸電感136mH直軸電感145mH電流傳感器HDC040G（10A/1V）電流傳感器HDC040G（10A/1V） 電機(jī)參數(shù)　PMSM系統(tǒng)的AB傳感器波形（a）電壓波形 （b）電流波形　PMSM系統(tǒng)的設(shè)定轉(zhuǎn)速為50r/min時，電機(jī)相電壓、電流波形（a）電壓波形 （b）電流波形　PMSM系統(tǒng)的設(shè)定轉(zhuǎn)速為300r/min時，電機(jī)相電壓、電流波形 （a）電壓波形 （b）電流波形　PMSM系統(tǒng)的設(shè)定轉(zhuǎn)速為1000r/min時，電機(jī)相電壓、電流波形、特別是由電壓電流波形的正弦性，可以看出該系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的估算和調(diào)節(jié)是非常準(zhǔn)確的，控制軟件是可靠的。主要技術(shù)指標(biāo)輸入電壓： 180 250 V輸入電流： ＜5A載波頻率：16KHz輸出功率： 700W保護(hù)功能：過壓欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、啟動保、過熱保護(hù)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速選擇功能綜上所述：軸直連式變頻洗衣機(jī)控制器是集自動控制理論、電力電子技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、數(shù)字/模擬信號分析應(yīng)應(yīng)用技術(shù)為一體的高技術(shù)集合體，其本身的研發(fā)就是一個系統(tǒng)工程，是各方面的專家技術(shù)人員通力協(xié)作的成果?？刂葡到y(tǒng)采用電壓型的控制模型，轉(zhuǎn)子位置估算方法和永磁同步電動機(jī)的弱磁控制算法，解決了控制精度和穩(wěn)定性的矛盾，使本系統(tǒng)在有高的動態(tài)響應(yīng)的同時又具有高的穩(wěn)定性。基于超前角控制的永磁同步電動機(jī)弱磁增速的方法，極大拓寬了永磁電機(jī)的調(diào)速范圍。這些都為整機(jī)的高可靠性奠定了基礎(chǔ)，同時也是本系統(tǒng)的控制核心和創(chuàng)新點.經(jīng)信息產(chǎn)業(yè)部電子科技情報研究所2003年8月25日完成的2003071號《科技查新報告》表明：在本次檢索到的國內(nèi)外文獻(xiàn)多為研究性質(zhì)的，未發(fā)現(xiàn)國內(nèi)有產(chǎn)品性能指標(biāo)優(yōu)于本課題的文獻(xiàn)報道。本課題主要性能指標(biāo)與國外同類先進(jìn)產(chǎn)品的性能指標(biāo)相當(dāng)。 經(jīng)中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所試驗中心2003年8月29日完成的W200356號《檢驗報告》表明：依據(jù)委托要求及國標(biāo)GB 、企標(biāo)Q/CYGHJ1062003所做的北京GHJL電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的直驅(qū)變頻全自動洗衣機(jī)控制器委托鑒定檢驗，檢驗合格。另據(jù)山東小鴨電器股份有限公司出具的使用報告表明：北京GHJL電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的直驅(qū)變頻全自動洗衣機(jī)控制器，經(jīng)在我公司生產(chǎn)的變頻洗衣機(jī)上使用，各項性能指標(biāo)良好，能夠滿足我公司對變頻全自動洗衣機(jī)控制器的要求，達(dá)到或高于國外同類產(chǎn)品的水平，能夠替代進(jìn)口控制器。這說明：該項目目前居于國內(nèi)領(lǐng)先，國際同期先進(jìn)水平。 本項目技術(shù)來源、知識產(chǎn)權(quán)歸屬情況 本項目是我公司在電力電子領(lǐng)域多年技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，應(yīng)山東小鴨電器股份有限公司要求，歷經(jīng)一年時間，獨立設(shè)計開發(fā)的、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品。本產(chǎn)品已通過了2003年9月21日由北京市科委主持的科技成果技術(shù)鑒定。 本項目國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、存在的主要問題及未來發(fā)展趨勢 永磁同步電機(jī)（PMSM）因其整機(jī)重量輕