泵用永磁同步电动机系统效率优化研究

车焕 郜世磊

摘要：通用变频器一般都是为驱动三相异步电动机而设计的，在用于驱动永磁同步电动机开环运行时，U/f曲线的限制往往不能满足实际起动的需要，本文采用电压控制方法来解决这一难题，同时本文改采用自适应控制去寻找给定转速和转矩下的最高效率运行点，实现了电机和逆变器整体效率的优化控制。

Abstract： General purpose inverters are generally designed to drive three phase induction motors， and when used to drive brushless electric motor， the limits of the U/F curve often can not meet the actual starting requirements， in this paper， the voltage control method is used to solve this problem. At the same time， the adaptive control method is used to find the highest efficiency operating point under the given speed and Torque.

关键词：永磁同步电动机;电压控制;自适应

Key words： permanent magnet synchronous motor（PMSM）;voltage control;self adaptation

中图分类号：TM343                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）24-0100-02

0  引言

由于永磁同步电动机（PMSM）特殊的优点，如高效率、高功率因数、高功率密度，使得它在运动控制设备中获得广泛的应用。当PMSM驱动系统应用于风机和水泵设备时，简单的U/f控制策略能够替代无传感器的磁场定向控制，从而提高工作效率。

采用VVVF通用变频器驱动PMSM时，必须根据电机的参数来设定起动U/f曲线，同时由于VVVF通用变频器可设的U/f曲线有限，导致所设起动曲线往往不能满足实际起动的需要，即为PMSM的起动问题。本文采用电压控制方法可减少其对电驱动系统U/f曲线的依赖性，很好地解决了这一难题。

VVVF通用变频器驱动PMSM的不足之处除起动困难外，还会出现电流增大、温升过高、噪声异常、振动等现象，使电机效率下降。这主要是由永磁同步电动机与VVVF通用变频器各自的工作特点所决定的，VVVF通用变频器的U/f曲线设置的不合理，且运行中不可改变。解决上述问题最有效的办法是采用专用的变频驱动电源，通过搜索算法寻找最优U/f曲线。

1  电压控制方法

对于风机泵类负载在变频调速时采用简单的V/F控制就能实现调速功能。而对PMSM采用变频控制时，V/f的设置较为关键。通用变频器由于需要根据电机的参数来设定V/f曲线并且可设的V/f曲线有限，往往不能满足实际的需要。PMSM采用电压控制方法可减少其对电驱动系统V/f曲线的依赖性，很好地解决了此类问题[2]。

计算电压时，必须对定子阻抗压降进行精确地补偿，这在低速运行时尤为重要[3]。图1所示为PMSM的相量图，可用来解释带有定子阻抗压降补偿的电压计算方法。

在图1三角形OAB中，AC垂直于OB，故可得电压相量的稳态值Us为：

式（1）可用来计算PMSM电压幅值命令，定子磁通感应电动势Es可从所需的稳态恒定定子磁通得到，用恒定的定子磁通作为转子永磁磁通λm，根据这种选择，电机需要的定子电压可以保持相对较低，并且电机的空载电流可以减小。Es可通过如下计算得到：

式中f0——电动机的给定频率;

λm——转子的永磁磁通。

虽然Is和cosφ0是稳态值，根据式（1），可用它们的瞬时测量值控制电压的幅值，式中Is cosφ0项是定子电流相量连同电子电压相量一起的部分，通过把测量的相电流转换到固定参考坐标下的定子电压，这一项可以瞬时计算为：

式中is——电流相量幅值的瞬时值;

φ——功率因数角的瞬时值;

ias、ibs—— 是相电流的测量值;

θe是电压相量在静止参考坐标下的位置。

用瞬时计算值和Es值，来计算電压指令v*s，其幅值的最终表达式可写为：

通过测量电流瞬时值，在驱动系统中的实现电压的计算如图2所示。为了消除计算电流值is和is cos？准高频时的波动，使用了两个低通滤波器（LPF）。

图3所示为电压控制方法的整体框图，通过测量电流瞬时值和给定的频率计算出所需要的电压值作为逆变驱动系统的给定，通过控制IGBT的开断时间来控制电压的幅值。

2  泵用PMSM系统效率优化策略

本文的泵用PMSM驱动系统的电压和频率可以独立控制，效率优化控制就很容易实现，可采用自适应控制去寻找给定转速和转矩下的最高效率运行点。该系统效率优化的原理框图如图4所示。

调节逆变器的输出电压，使测得的直流环节平均电流最小，从而达到效率控制。通过这种方法，系统优化的不仅仅是电机本体的效率，还是电机和逆变器的整体效率，电机的转速可通过对逆变器频率独立地开环控制而维持恒定。

PWM电压源逆变器以80C196MC为控制芯片，通过独立地控制频率和电压幅值进行正弦波-三角波调制。由电压型逆变器直流环节引出的平均直流电流（通过霍尔效应放大器和四极低通滤波器引出），通过效率控制环节和稳定环，实现驱动系统效率（包括电动机和逆变器效率）最佳化和系统稳定的控制目的。

驱动系统效率优化程序、频率和电压指令由80C196MC的实时中断数字控制算法实现，算法运行中断周期为2ms，80C196MC与逆变器接口采用12位的A/D、D/A。PMSM效率优化控制算法的流程图如图5所示。

参考文献：

[1]唐任远，等.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.

[2]杨东进.变频器V/f曲线的合理设定[J].电气传动，2001（4）：21-23.

[3]C. M. Ong and T. A. Lipo， “An approach to closed-loop design of a current source inverter/reluctance motor drive，” in Conf. Rec. 1975 IEEE-IAS Soc. Ann. Meeting， 494-500.