1、異步電機與同步電機的控制原理，應用領域和研究熱點一、 同步電機概念：同步電機，和感應電機一樣是一種常用的交流電機。同步電機的特點是：穩態運行時，轉子的轉速和電網頻率之間又不變得關系n=ns=60f/p，ns成為同步轉速。若電網的頻率不變，則穩態時同步電機的轉速恒為常數而與負載的大小無關。同步電機分為同步發電機和同步電動機。現代發電廠中的交流機以同步電機為主。工作原理：主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。載流導體：三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應電勢或者感應電流的載體。切割運動：原動機拖動轉子旋轉（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起

2、旋轉并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導體反向切割勵磁磁場）。交變電勢的產生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。感應電勢頻率：感應電勢的頻率決定于同步電機的轉速n 和極對數p ，即f=np/60。交變性與對稱性：由于旋轉磁場極性相間，使得感應電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應電勢的三相對稱性。要使得發電機供給電網50Hz的工頻電能，發電機的轉速必須為某些固定值，這些固定值稱為同步轉速。例如2極電機的同步轉速為3000r/min，4極電機的同步轉速為1500r/min，依次類推。只有

3、運行于同步轉速，同步電機才能正常運行，這也是同步電機名稱的由來。1、控制原理(1).轉速閉環恒壓頻比控制轉速閉環恒壓頻比控制是一種最常用的變頻調速控制方法。該方法是通過控制V/f恒定，使磁通保持不變，并以控制轉差頻率來控制電機的轉矩和轉速。這種控制方法低速帶載能力不強，須對定子壓降實行補償，因該控制方法只控制了電機的氣隙磁通，不能調節轉矩，故性能不高。但該方法由于實現簡單、穩定可靠，調速方便，所以在一些對動態性能要求不太高的場合，如對通風機、水泵等的控制，仍是首選的方法。(2).轉差頻率控制轉差頻率控制的突出優點就在于頻率控制環節的輸入是轉差信號，而頻率信號是由轉差信號與實際轉速信號相加后得到

4、的，這樣，在轉速變化過程中，實際頻率隨著實際轉速同步地上升或者下降。盡管轉差頻率控制能夠在一定程度上控制電機轉矩(3).矢量控制矢量控制框圖如圖2 所示。1971 年，西門子工程師Balschke首次提出矢量控制理論，使交流電機控制理論獲得了一次質的飛躍。其基本思想為：以轉子磁鏈旋轉空間矢量為參考坐標，將定子電流分解為相互正交的兩個分量，一個與磁鏈同方向，代表定子電流勵磁分量，另一個與磁鏈方向正交，代表定子電流轉矩分量，分別對它們進行控制，獲得像直流電動機一樣良好的動態特性。因其控制結構簡單，控制軟件實現較容易，已被廣泛應用到調速系統中。但矢量控制方法在實現時要進行復雜的坐標變換，并需準確觀測

5、轉子磁鏈，而且對電機的參數依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。采用矢量控制理論進行控制時，具有和直流電動機類似的特性。矢量控制的優點在于調速范圍寬，動態性能較好。不足之處是按轉子磁鏈定向會受電動機參數變化的影響而失真，從而降低了系統的調速性能。解決方法是采用智能化調節器可以提高系統的調速性能和魯棒性。文獻20和文獻21采用PI 控制，文獻20中電流環、速度環均采用PI 調節，由仿真結果得出:PI 控制器的參數對系統的性能有極大的影響，永磁同步電機是一個具有強耦合的非線性對象，很難用精確的數學模型描述，而PI 控制器是一種線性控制器，魯棒性不夠強，所以，在調速系統中難以達到令人滿意

6、的調速性能，尤其是在對系統性能和控制精度要求較高的場合，這就需要對PI 算法進行改進，以達到更好的控制性能。文獻21通過多次仿真，在速度調節中只單純采用PI 調節效果并不理想，為此，提出了采用分段PI 速度調節的方法，即根據誤差量的大小分段確定參數Kp，Ki。在初期，可加大比例調節成分，隨著誤差減小適當加大積分系數，這樣系統能較好地實現永磁同步電機的調速及其正反轉控制。文獻1對PMSM的電壓空間矢量的弱磁控制方面所做的研究，提出一種基于空間矢量PWM（SVPWM）的PMSM 定子磁鏈弱磁控制方法，在電機轉速達到基本轉速之前采用最大轉矩/電流策略控制，超過基本轉速之后采用弱磁擴速的電流控制策略，

7、使電機具有更大的調速空間，該策略可實現電壓矢量近似連續調節，同傳統的有限的離散空間矢量相比，有效減小了PMSM的轉矩脈動，提高了系統的性能。(4).直接轉矩控制直接轉矩控制（DTC）框圖如圖3 所示。1985 年，Depenbrock教授提出的高性能交流電機控制策略，摒棄了矢量控制的解耦思想，不需要將交流電動機與直流電動機作等效與轉化，省去了復雜的坐標變換；采用定子磁場定向，實現了在定子坐標系內對電動機磁鏈、轉矩的直接觀察、控制，定子磁鏈的估計僅涉及定子電阻，減弱了對電機參數的依賴性，很大程度上克服了矢量控制的缺點。且控制簡單，轉矩響應快，動態性能好。開始時是使用于異步電機控制中，后來逐步引用

8、于同步電機中。1997 年，L.zhong，和Y.W.Hu 等人把直接轉矩控制與永磁同步電機結合起來，提出了基于永磁同步電機的直接轉矩控制理論，實現了永磁同步電機直接轉矩控制方案，并且成功地拓展到了弱磁恒功率范圍，取得了一系列成果。直接轉矩控制技術是繼矢量控制后發展起來的，最早應用在感應電機中，隨后應用到永磁同步電動機控制系統中。永磁同步電動機不能像異步電機那樣用零電壓矢量降低轉矩，而采用反向電壓減小轉矩，這樣會產生較大的轉矩波動。文獻2分析了零電壓矢量在異步電機和同步電機中的不同作用，構造了一種應用零電壓矢量來減小轉矩的新型電壓矢量開關表，如表1 所列，可以改善轉矩脈動和系統性能。文獻11也

9、構造了一種新型的含零電壓矢量的控制開關表，改變了傳統的控制系統。并通過仿真結果表明，正確地使用零電壓矢量能夠有效減少轉矩脈動，改善系統性能。直接轉矩控制的系統能以較大的轉矩啟動，并且含零電壓矢量的系統的轉矩平穩性較好，轉矩波動比較小，并且在擾動后能在較短的時間內恢復穩定。傳統DTC 采用的是按一定規則從預制的開關表中選取近似合適的電壓空間矢量對電機轉矩和磁鏈進行控制，由于所選的空間電壓矢量有限，不同程度地導致DTC 系統出現較大的磁鏈和轉矩脈動。文獻3介紹分析了SVM（空間矢量調制）是在一個控制周期內，通過相鄰基本電壓矢量和零矢量合成，得到所需的任意電壓矢量，實現電壓矢量的線性連續可調。SVM

10、 DTC 控制可在不改變系統硬件結構的條件下，獲得更多的連續變化的電壓空間矢量，進而實現對電機磁鏈和轉矩更精確的控制，從而降低轉矩脈動。在改進PMSM 控制方法和性能上，文獻4和文獻5提出了新的方法，文獻4在矢量控制策略基礎上提出了一種高精度混合控制方法，綜合利用自控方式與他控方式各自的優點，在動態情況下，采用自控方式對控制系統輸出電壓進行快速調節，提高系統動態響應能力以及增強系統穩定性，當電機進入穩態運行時切換到他控方式，從而提高電機穩態性能指標，減小轉速波動和轉矩脈動，兼顧調速系統動態性能和穩態性能，取得了更好的控制效果。文獻4還對目前永磁同步電動機控制系統轉子初始位置檢測方法進行了分析與

11、對比研究，給出基于漸變電壓矢量法的轉子初始位置檢測簡單有效的檢測方法，主要是因為當給定電壓矢量接近永磁體轉子軸線時，可能會出現方向判斷失誤的情況。可以采用表決機制，多次測量后確定檢測結果，以保證結果的正確性和更高的檢測精度。并將模糊控制、神經網絡控制與傳統的PID控制器結合，使系統有更好的動、靜態特性。文獻5從開關頻率優化和電壓空間矢量合理選擇兩個方面提出了一種新的轉矩調節方法，即通過逆變器開關頻率PI 調節得到轉矩滯環比較器的滯環寬度值。這樣在充分利用功率器件開關頻率的同時不僅克服了圓形磁鏈軌跡對功率器件高開關頻率要求的缺陷，而且克服了在轉速變化過程中采用固定滯環寬度值帶來的功率器件開關頻率

12、波動范圍大及由此造成低速轉矩調節性能下降的缺陷。文獻12對永磁同步電機直接轉矩控制中磁鏈觀測這一關鍵技術進行了研究，設計了一種新型磁鏈觀測器非線性正交反饋補償磁鏈觀測器。磁鏈觀測是直接轉矩控制技術中關鍵部分，直接關系到電機的運行性能和直接轉矩控制方案效果，適合永磁同步電機直接轉矩控制應用的新型非線性正交反饋補償磁鏈觀測器算法可以用式（1）表示。通過仿真，采用的基于非線性正交反饋補償的磁鏈觀測器不僅能在高速下準確觀測磁鏈，而且能有效地解決傳統電壓積分方法在低速時的不足和弊端，從而驗證了基于非線性正交反饋補償的磁鏈觀測器在理論上的可行性。系統的動態響應快，穩態運行平穩，電流正弦，磁鏈能夠運行在圓形

13、軌跡上。(5).基于無傳感器控制通常，高性能的調速系統離不開閉環控制，但速度傳感器的安裝帶來了系統成本增加、體積增大、可靠性降低等問題。因此無速度傳感器控制技術成為研究熱點，其核心是如何準確獲取電機的轉速信息。文獻14指出，代表性的方案有：瞬時轉速估計法，PI 控制器法，模型參考自適應系統法，擴展卡曼濾波法，基于神經網絡的方法。文獻6提出了在無位置傳感器的條件下檢測轉子初始位置的方法，適用于凸極和隱極同步電動機，受電動機參數影響比較小，在靜止、低速、高速范圍內均可以估計出轉子的實際位置，通過向電動機的定子繞組施加高頻檢測電壓，利用空間凸極效應即可確定轉子的初始位置。文獻15指出，早先的無傳感器

14、控制方法主要集中在高速條件下，有：磁鏈位置估算法，特點是簡單而易于實現，但算法性能取決于電壓、電流的測量精度及電機參數準確性；擴展卡曼濾波法，可以直接獲得定子磁鏈矢量和轉子位置的估計值，能很好地抑制測量和擾動噪聲，但算法對電機參數有較強的依賴性，同時卡爾曼增益也很難確定。文獻15針對表貼式永磁同步電動機，在任意同步旋轉坐標系上利用電機穩態操作的結果估計反電動勢，進而實現了轉子位置和轉速的估計，采用的反電動勢常數補償算法，系統對反電勢參數的變化相當穩健。該方法的位置和速度估計精度高，速度控制范圍寬。文獻13介紹了針對內嵌式永磁同步電動機的凸極原理，并且基于這個原理介紹了一種根據輸入電壓檢測電流大

15、小的方法，實現簡便，且沒有依賴電機參數，建立數學模型或要進行復雜計算等缺點。僅需要在原有的電機驅動電路的基礎上增加一套針對初始磁極位置檢測的程序即可。整個程序分為三個部分：第一部分是測量并比較0毅和180毅電角度的電壓矢量，并選擇一個大的電壓矢量作為起始的角度；第二部分將整個電氣360毅周期分為12 個區域，每30毅一格，從0毅或者180毅開始，測量給定電壓矢量的電流，在保證測到最大電流時，減少測量的步數，使得測量的時間也盡可能的縮短；第三步則是進一步細分角度，利用二分法來精確的檢測磁極位置的角度。這種方法實現起來簡便，無須預知電機的參數，無須增加硬件設備，僅須在每次啟動電機時導入相應程序即可

16、。2、應用領域永磁同步電動機的運行原理與電勵磁同步電動機相同，但它以永磁體提供的磁通替代后者的勵磁繞組勵磁。具有無電流勵磁，無電刷和滑環；損耗低，效率高；功率因素高；轉子結構多樣，靈活；體積小，重量輕；起動轉矩大等等優點。因此在電動車驅動方面具有較高的應用價值，已經受到國內外電動汽車界的高度重視，并在日本得到了普遍的應用，比如鈴木every EV、日產Hyper Mini、豐田RAV4 EV、本田EV Plus等等12-13。也在有軌機車14、航空航天15、電梯16、家用電器17、航海等領域應用較廣。經過上述的對比分析，永磁同步電機是一種比較理想的電動汽車驅動系統。基于當前汽車對驅動電機的特殊

17、要求，不同的電機解決方案都在研究和論證過程中，其中永磁電機作為驅動電機的解決方案已經被越來越多地采用，永磁電機是在Y系列電機的基礎上，將電機轉子嵌入稀土釹鐵硼材料而成，其作為驅動電機具有如下特點1。轉矩、功率密度大、起動力矩大。永磁電機氣隙磁密度可大大提高，電機指標可實現最佳設計，使得電機體積縮小、重量減輕，同容量的稀土永磁電機體積、重量、所用材料可以減輕30%左右。永磁驅動電機起動轉矩大，在汽車起動時能夠提供有效的起動轉矩，滿足汽車的運行需求。力能指標好。Y系列電機在60%的負荷下工作時,效率下降15% ，功率因數下降30%，力能指標下降40%。而永磁電機的效率和功率因數下降甚微，當電機只有

18、20%負荷時，其力能指標仍為滿負荷的80%以上。同時永磁無刷同步電機的恒轉矩區比較長，一直延伸到電機最高轉速的50%左右，這對提高汽車的低速動力性能有很大幫助。高效節能。在轉子上嵌入稀土永磁材料后，在正常工作時轉子與定子磁場同步運行，轉子繞組無感生電流，不存在轉子電阻和磁滯損耗，提高了電機效率。永磁電機不但可減小電阻損耗，還能有效地提高功率因數。如在25% 120%額定負載范圍內永磁同步電機可均可保持較高的效率和功率因素。結構簡單、可靠性高。用永磁材料勵磁，可將原勵磁電機中勵磁用的極靴及勵磁線圈由一塊或多塊永磁體替代,零部件大量減少，在結構上大大簡化。同時省去了勵磁用的基電環和電刷，不但改善了

19、電機的工藝性,而且電機運行的機械可靠性大為增強,壽命增加。轉子繞組中不存在電阻損耗，定子繞組中幾乎不存在無功電流，使電機溫升低,這樣也可以使整車冷卻系統的負荷降低，進一步提高整車運行的效率。3、研究熱點永磁同步電機雖有永磁式同步電動機結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和異步電動機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高、功率因數高、力矩慣量比大、定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子參數可測、控制性能好。但存在最大轉矩受永磁體去磁約束，抗震能力差，高轉速受限制，功率較小，成本高和啟動困難等缺點。正因為有缺點的存在和未來發展的需要以及市場

20、的競爭，帶來了永磁同步電機的研究熱點問題。1）不可逆退磁問題。如果設計或使用不當，永磁同步電機在過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時，在沖擊電流產生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械振動時有可能產生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能下降，甚至無法使用。因此，既要研究開發適用于電機制造廠使用的檢查永磁材料熱穩定性的方法和裝置，又要分析各種不同結構型式的抗去磁能力，以便設計和制造時，采用相應措施保證永磁同步電機不失磁。2）成本問題。鐵氧體永磁同步電機由于結構工藝簡單、質量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了廣泛應用。由于稀土永磁目前的價格還比較貴，稀土永磁電機的成本一般比電勵磁電機高，這

21、需要用它的高性能和運行費用的節省來補償。在設計時既需要根據具體使用場合和要求進行性能、價格的比較后取舍，又要進行結構工藝的創新和設計優化，以降低成本。3）控制問題。永磁同步電機不需外界能量即可維持其磁場，但這也造成從外部調節、控制其磁場極為困難。但是隨著MOSFET、IGBT 等電力電子器件和控制技術的發展，大多數永磁同步電機在應用中，可以不進行磁場控制而只進行電樞控制。設計時需把永磁材料、電力電子器件和微機控制三項新技術結合起來，使永磁同步電機在嶄新的工況下運行。此外，以永磁同步電機作為執行元件的永磁交流伺服系統，由于永磁同步電機本身是具有一定非線性、強耦合性和時變性的系統，同時其伺服對象也

22、存在較強的不確定性和非線性，加之系統運行時易受到不同程度的干擾，因此采用先進控制策略、先進的控制系統實現方式（如基于DSP控制），從整體上提高系統的智能化和數字化水平，這應是當前發展高性能永磁同步電機伺服系統的一個主要突破口。二、 異步電機概念：三相異步電動機分主要由定子(固定部分)和轉子(旋轉部分)兩個基本部分組成。繞線式異步電動機的轉子繞組同定子繞組一樣也是三相的，它聯接成星型。每相繞組的的始端聯接在三個銅制的滑環上，滑環固定在轉軸上。環與環，環與轉軸之間都是互相絕緣的。在環上用彈簧壓著碳質電刷。起動電阻和調速電阻是借助于電刷同滑環和轉子繞組聯接。1、 工作原理：三相交流異步電動機工作原理：(1)當三相異步電機接入三相交流電源時，三相定子繞