浅谈永磁同步电机矢量控制系统的设计与研究的意义

湖南石油化工职业技术学院 何湘龙

永磁同步电动机是一种利用永磁材料产生磁场、使得同步转速与电机转速相等的特种电机，拥有功率密度大、结构简单、效率高、转矩稳定、响应速度快等特点，在各个生产领域应用越来越广泛，包括汽车、机器人、医疗器械、机床等。它的出现极大地促进了社会生产力的发展，同时也促进了永磁同步电机控制系统的更快发展。

永磁材料方面：上世纪50年代第一代永磁材料铁氧体BaFe12O19被开发出来，由于其具有高的矫顽力和明显的磁晶各向异性，掀开了磁性材料新篇章。六、七十年代科学家相继开发出SmCo5和Sm2Co17永磁材料，将稀土元素和3d 过渡族元素结合起来，提高了永磁体的磁特性，被称为第二代永磁材料。到了上世纪80年代中期，第三代磁性材料的研究与开发给永磁同步电机发展带来了革命性的变化。我国拥有世界第一的稀土资源，是名符其实的稀土资源大国，拥有着大量的永磁材料等优质资源。丰富的原材料使我国在生产钕铁硼磁体上拥有巨大优势。近些年来多所大学和研究所如沈阳工业大学、西北工业大学、华中理工、清华大学相继进行稀土永磁电机的研究，取得了不少成果[1]。

控制理论方面：对永磁同步电机控制主要有电机的启动，调速和制动三个方面，常用控制方式有PID 控制、模糊控制、神经网络控制、遗传算法控制等。国内外最经典的控制方法就是PID 控制，PID 控制器的表达式为：

它可同时改善系统的稳态性能和动态性能，但前提是合理选择Ti 和Td。

1 研究的目标与内容

通过对永磁同步电机所使用的永磁材料、所设计的电力电子技术和计算机技术及所利用到的控制理论进行研究，设计出一套最优化矢量控制的电机控制系统，使其具有高效、节能的特点，广泛应用在中石化等化工企业。研究内容如下。

优化生产领域所使用的永磁同步电机的结构。永磁同步电机和其它电机一样，主要结构包括定子和转子两个部分。定子与转子间存在气隙。其中定子部分是指电机运行时不动的部分，由定子铁芯、机座和三相对称电枢绕组等部分组成。一方面解决永磁同步电机的铁损问题，可采用叠片结构，绕组嵌放在铁心的槽中。转子主要由永磁体、转轴和导磁轭构成，主要作用在电动机气隙内产生足够的磁场强度；另一方面解决永磁同步电机散热的问题，转轴上留有倾斜式导热槽，加大电机散热面积[2]。

研究坐标变换和永磁同步电机数学建模的步骤。在对各个坐标系变换时应遵守如下原则：确定电流变换矩阵时，应遵循变换先后所产生的旋转磁场等效的原则；计算电压变换矩阵和阻抗变换矩阵时，应遵守变换前后电动机功率不变的原则；为了矩阵运算的简单、方便，要求电流变换矩阵是正交矩阵。永磁同步电机数学建模步骤：计算转子励磁磁动势和定子电枢反应磁动势转矩分量相互作用所产生的转矩，也是同步电机主要的电磁转矩；由分解有凸极效应产生的磁阻变化在电枢反应磁动势作用下产生的转矩，称为磁阻转矩；合成枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势相互作用的转矩。在没有阻尼绕组或稳定运行情况下，阻尼绕组中没有感应电流。

图1 带有阻尼绕组的同步电机物理模型

研究矢量控制的数字化实现策略。常见的PWM 控制技术有正弦波脉宽调制（SPWM）技术、电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术和电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术。项目注重研究电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术，研究包括电压矢量所在扇区的确定；基本电压矢量作用时间的选择；计算空间电压矢量的切换点。在对永磁同步电机的数学模型进行旋转两相坐标系分析时，定子电流被分解相互垂直的两个分量id、iq，即是对系统进行解耦。解决了对这两个变量实行不同控制的问题，得了到不同的控制策略。控制策略有四种：id=0控制、cosφ=0控制、最大转矩电流比控制、弱磁控制[3]。

永磁同步电机矢量控制系统的硬件设计。项目设计将把整个硬件系统分割成驱动电路、控制电路、传感器部分、人机接口和PMSM 等几部分。根据各个部分的需求来安排电路设计，解决stm32、IPM、传感器相互间电平变化和驱动能力的问题，最后设计出硬件电路的总体框图。所设计数字控制系统硬件优点：控制器的体积小、重量轻、功耗低、硬件成本低；IC 集成度高，外部接线少，可靠性更加高；不像模拟器件一样受外部条件影响十分明显；可通过软件实现复杂的算法，因此数字系统有很强的适应能力。项目研究将以微处理芯片为主，搭建一个充分利用其片上资源的矢量控制系统。此系统将要达到电机启动、制动、调速、保护等一系列功能。

图2 拟完善的硬件总体框图

永磁同步电机矢量控制系统软件平台的搭建。项目研究以Keil uVision2开发软件为载体进行系统控制程序设计，因其兼容单片机C 语言软件开发系统，同时保留了汇编代码高效、快速的特点，包括编译器、汇编器、实时操作系统、项目管理器、调试器等集成开发环境。

2 项目创新之处及研究的意义

项目研究的对象为化工企业（重污染、高危险、省支柱产业）生产车间中的永磁同步电机，项目将优化永磁同步电机的结构，使其具有高效、节能的特点，符合国家节能减排、绿色环保的政策；在设计永磁同步电机系统控制方案时，利用现代先进的控制理论——矢量控制；设计永磁同步电机控制的硬件系统，同时通过校企合作和企业一线技术骨干的参与研究，项目组能接触到工业生产一线的资料，项目能在充分实践的基础上进行，使项目具有良好的可行性和实用性；设计出完整软件控制程序，具有良好的人机交流界面，可操作性强。

近年来在电机控制界刮起了矢量控制技术潮流。矢量控制系统是指利用电机绕组中的有关电信号，通过恰当的方法计算出转子的位置和速度并以此取代机械传感器的作用，以实现电机转速闭环控制。这项技术使得设计调速系统降低成本，系统参数辨识不受外界因素变化的影响，提高了整个系统的可靠性。

一方面，石化企业生产车间一般属于易燃易爆的危险环境，普通的直流电机在运行中进行机械转向时要通过电刷，产生的电火花很有可能引发危化品大爆炸等危险，现实的需要对电机的发展提出更高要求，因此对永磁同步电机的研究，使其从外观与结构上来说体积小、易操作、易散热、易维护；从功能上来说运行效率高、功率因数高、功率密度高、体积小、转矩电流比高、转动惯量低，有着极其重要的现实意义。

另一方面，企业的生产很多情况下是一种能量的转换，如电机就能将电能转换为机械能。但在节能减排的今天，能量转换的效率是考虑的一个重要性能指标，电机的控制策略、能量转换技术发展的优劣直接影响转换效率的大小，因此永磁同步电机控制系统的研究与设计将对人类社会生产与生活的影响深远。总之，对永磁同步电机控制技术进行研究是有意义、有价值的。