永磁式同步电机的特点、种类及无速度传感器控制系统的研究

1、概述

在中小容量高精度传动领域，广泛采用永磁式同步电机，可用在转子上加永磁体的方法来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。

由于永磁同步电机闭环控制当中需要电机转子位置，因此需要在电机轴上安装机械位置传感器。由于机械传感器的存在，增加了系统复杂程度和成本，降低了系统鲁棒性。永磁同步电机的无速度传感器控制成为现今研究的一个热点问题。

2、永磁式同步电机的特点及其分类

永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。

近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方面发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000KW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机的外径只有0.8mm，长1.2mm。

我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。

永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。

永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。

这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同。

3、PMSM与异步电机及BLDCM矢量控制系统的比较

永磁同步电机与无刷直流电机有许多类似之处，转子上均有永磁磁极，定子电枢需要交变电流以产生恒定转矩，其主要区别是永磁同步电机的反电势为正弦波，无刷直流电动机的反电势为梯形波。为了产生恒定力矩，永磁同步电机需要的定子电流为正弦波对称电流，无刷直流电机需要的定子电流为方波电流。

由于电磁惯性，无刷直流电机的定子电流实际上为梯形波，而无法产生方波电流，并由集中绕组供电，所以无刷直流电动机较永磁同步电机脉动力矩大。在高精度伺服驱动中，永磁同步电机有较大竞争力。在另一方面，永磁同步电机单位电流产生的力矩较无刷直流电机单位电流产生的力矩小。在驱动同容量的电动机时，永磁同步电机所需逆变器容量大并且需要控制电流为正弦波，开关损耗大很多。

无刷直流电机定子电流为方波，每相开通1200电角度，然后关断600电角度。每600电角度有一个开关改变状态，所以无刷直流电机转子位置检测器只需要每隔600电角度输出一个脉冲。永磁同步电机定子电流为正弦波，定子电流瞬时值取决于转子的瞬时位置，所以必须连续地检测转子位置。

永磁同步电机的交轴电抗和直轴电抗随电机磁路饱和等因素而变化，从而影响输出力矩的磁阻力矩分量。永磁同步电机对参数的变化较无刷直流机敏感，但当永磁同步电机工作于电流控制方式时，磁阻转矩很小，永磁同步电机矢量控制系统对参数变化的敏感性与无刷直流机基本相同。

当电机转速较高，无刷直流电机反电势与直流母线电压相同时，反电势限制了定子电流。而永磁同步电机能够采用弱磁控制，因此具有较大的调速范围。

4、永磁同步电机国内外研究现状

早期对永磁同步电机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电机运行特性的研究，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。永磁同步电动机的直接起动是依靠阻尼绕组提供的异步转矩将电机加速到接近同步转速，然后由磁阻转矩和同步转矩将电机牵入同步。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在这方面做了大量的研究工作。

上个世纪八十年代国外开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。阻尼绕组有以下缺点：第一，阻尼绕组产生热量，使永磁材料温度上升；第二，阻尼绕组增大转动惯量、使电机力矩惯量比下降；第三，阻尼绕组的齿槽使电机脉动力矩增大。在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和 暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点。一九八○年后发表了大量的论文研究永磁同步电动机的数学模型、稳态特性、动态特性。A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性。

随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法。

随着微型计算机技术的发展，永磁同步电动机矢量控制系统的全数字控制也取得了很大的发展。D.Naunin等研制了一种永磁同步电动机矢量控制系统，采用了十六位单片机8097作为控制计算机，实现了高精度、高动态响应的全数字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等发表了大量关于永磁同步电动机矢量控制系统全数字控制的论文。

永磁同步电动机矢量控制系统转速控制器大多采用比例积分（PI）控制。PI控制器具有结构简单，性能良好，对被控制对象参数变化不敏感等优点。一九九一年，R.B.Sepe首次在转速控制器中采用自校正控制。早期自适应控制主要应用于直流电机调速系统。国立***大学刘天华等首次将鲁棒控制理论应用于永磁同步电动机伺服驱动。电机在运行过程中，模型和参数是不断变化的，参数和模型的变化将引起控制系统性能的降低。现代控制理论中的各种鲁棒控制技术能够使控制系统在模型和参数变化时保持良好的控制性能性能。因此，将各种鲁棒控制技术运用于电机调速领域，可以大大提高调速系统的性能。在这方面，运用的较为成功的控制技术主要有：自适应控制、变结构控制、参数辨识技术等。

自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人将自适应控制技术应用于永磁同步电机调速系统。仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够使调速系统在电机参数发生变化时保持良好的性能。滑模变结构控制由于其特殊的“切换”控制方式与电机调速系统中逆变器的“开关”模式相似，并且具有良好的鲁棒控制特性，因此，在电机控制领域有广阔的应用前景。

通过对电机参数变化进行在线辨识，并运用辨识的参数对调速系统进行控制，也能够提高控制系统的鲁棒性。随着人工智能技术的发展，智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支，电气传动控制系统中运用智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向，并且将带来电气传动技术的新纪元。目前，实现智能控制的有效途径有三条：基于人工智能的专家系统（ExpertSystem）;基于模糊集合理论（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork）的神经控制。B.K.Bose等人从八十年代后期一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用，并取得了可喜的研究成果。

5、永磁同步电机无速度传感器控制系统

在永磁同步电机控制当中，需要检测转子的位置和速度。需要在转子轴上安装机械式传感器，测量电机的速度和位置（见图1）。这些机械传感器经常是编码器（Encoder）、解算器（Resolver）和测速发电机（Tachometer）。机械传感器提供了电机控制所需的转子信号，但也给调速系统带来了一些问题：

1）机械传感器增加了电机转子轴上的转动惯量，加大了电机空间尺寸和体积。

2）机械传感器的使用增加了电机与控制系统之间的连接线和接口电路，使系统易受干扰，降低了可靠性。

3）受机械传感器使用条件如温度、湿度和振动的限制，调速系统不能广泛适应各种场合。

4）机械传感器及其辅助电路增加了调速系统的成本，某些高精度传感器的价格甚至可与电机本身价格相比。

为了克服使用机械传感器给调速系统带来的缺陷，许多学者开展了无机械传感器交流调速系统的研究。无机械传感器交流调速系统是指利用电机绕组中的有关电信号，通过适当方法估计出转子的位置和速度，取代机械传感器，实现电机控制。

永磁同步电机无速度传感器矢量控制技术的关键在于如何根据测量的电机电流和电压信号，估计电机的转速和转子位置。对于永磁同步电机调速系统可以采用一些直观的方法，即利用其特殊的电磁特性，来构造速度和转子位置的估计方法，例如：计算定子磁链矢量的空间位置来估计电机的转子位置、计算定子相电感来估计转子位置等。同时，随着现代控制、辨识技术的发展，为我们提供了许多可行的观测器构造方法来估计控制过程中的状态变量或参数。在电机的无速度传感器矢量控制技术中主要采用的观测器有：全阶状态观测器、自适应观测器、变结构观测器、卡尔曼滤波器等，采用这些方法构造的电机转子位置和速度观测器具有动态性能好、稳定性强。参数敏感性小等特点。随着高速数字信号处理器 （DSP）技术的发展，使得各种具有优良性能的速度观测器能够在无速度传感器矢量控制系统中广泛运用。

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