1、異步電機與同步電機的控制原理，應(yīng)用領(lǐng)域和研究熱點一、 同步電機概念：同步電機，和感應(yīng)電機一樣是一種常用的交流電機。同步電機的特點是：穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間又不變得關(guān)系n=ns=60f/p，ns成為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時同步電機的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負載的大小無關(guān)。同步電機分為同步發(fā)電機和同步電動機?，F(xiàn)代發(fā)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(dǎo)體：三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應(yīng)電勢或者感應(yīng)電流的載體。 切割運動：原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸

2、一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導(dǎo)體反向切割勵磁磁場）。 交變電勢的產(chǎn)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(yīng)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(yīng)電勢頻率： 感應(yīng)電勢的頻率決定于同步電機的轉(zhuǎn)速n 和極對數(shù)p ，即f=np/60。 交變性與對稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應(yīng)電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應(yīng)電勢的三相對稱性。 要使得發(fā)電機供給電網(wǎng)50Hz的工頻電能，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速必須為某些固定值，這些固定值稱為同步轉(zhuǎn)速。例如2極電機的同步轉(zhuǎn)速為3000r/min，4極電機的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，

3、依次類推。只有運行于同步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制是一種最常用的變頻調(diào)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(zhuǎn)差頻率來控制電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，故性能不高。但該方法由于實現(xiàn)簡單、穩(wěn)定可靠，調(diào)速方便，所以在一些對動態(tài)性能要求不太高的場合，如對通風(fēng)機、水泵等的控制，仍是首選的方法。(2).轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制的突出優(yōu)點就在于頻率控制環(huán)節(jié)的輸入是轉(zhuǎn)差信號，而頻率信號是由轉(zhuǎn)差信號與實際轉(zhuǎn)速

4、信號相加后得到的，這樣，在轉(zhuǎn)速變化過程中，實際頻率隨著實際轉(zhuǎn)速同步地上升或者下降。盡管轉(zhuǎn)差頻率控制能夠在一定程度上控制電機轉(zhuǎn)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(zhì)的飛躍。其基本思想為：以轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tài)特性。因其控制結(jié)構(gòu)簡單，控制軟件實現(xiàn)較容易，已被廣泛應(yīng)用到調(diào)速系統(tǒng)中。但矢量控制方法在實現(xiàn)時要進行復(fù)雜的坐標變

5、換，并需準確觀測轉(zhuǎn)子磁鏈，而且對電機的參數(shù)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(yōu)點在于調(diào)速范圍寬，動態(tài)性能較好。不足之處是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向會受電動機參數(shù)變化的影響而失真，從而降低了系統(tǒng)的調(diào)速性能。解決方法是采用智能化調(diào)節(jié)器可以提高系統(tǒng)的調(diào)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(huán)、速度環(huán)均采用PI 調(diào)節(jié)，由仿真結(jié)果得出:PI 控制器的參數(shù)對系統(tǒng)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(shù)學(xué)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(diào)速系統(tǒng)中

6、難以達到令人滿意的調(diào)速性能，尤其是在對系統(tǒng)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(diào)節(jié)中只單純采用PI 調(diào)節(jié)效果并不理想，為此，提出了采用分段PI 速度調(diào)節(jié)的方法，即根據(jù)誤差量的大小分段確定參數(shù)Kp，Ki。在初期，可加大比例調(diào)節(jié)成分，隨著誤差減小適當加大積分系數(shù)，這樣系統(tǒng)能較好地實現(xiàn)永磁同步電機的調(diào)速及其正反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速達到基本轉(zhuǎn)速之前采用最大轉(zhuǎn)矩/電流策略控制，超過基本轉(zhuǎn)速之后采用弱磁擴速

7、的電流控制策略，使電機具有更大的調(diào)速空間，該策略可實現(xiàn)電壓矢量近似連續(xù)調(diào)節(jié)，同傳統(tǒng)的有限的離散空間矢量相比，有效減小了PMSM的轉(zhuǎn)矩脈動，提高了系統(tǒng)的性能。(4).直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化，省去了復(fù)雜的坐標變換；采用定子磁場定向，實現(xiàn)了在定子坐標系內(nèi)對電動機磁鏈、轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)矩響應(yīng)快，動態(tài)性能好。開始時是使用于異步電機控

8、制中，后來逐步引用于同步電機中。1997 年，L.zhong， 和Y.W.Hu 等人把直接轉(zhuǎn)矩控制與永磁同步電機結(jié)合起來，提出了基于永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制理論，實現(xiàn)了永磁同步電機直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制后發(fā)展起來的，最早應(yīng)用在感應(yīng)電機中，隨后應(yīng)用到永磁同步電動機控制系統(tǒng)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(zhuǎn)矩，而采用反向電壓減小轉(zhuǎn)矩，這樣會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)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(gòu)造了一種應(yīng)用零電壓矢量來減小轉(zhuǎn)矩的新型電壓矢量開關(guān)表，如表1 所列，可以改善轉(zhuǎn)矩脈動和

9、系統(tǒng)性能。文獻11也構(gòu)造了一種新型的含零電壓矢量的控制開關(guān)表，改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)。并通過仿真結(jié)果表明，正確地使用零電壓矢量能夠有效減少轉(zhuǎn)矩脈動，改善系統(tǒng)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)能以較大的轉(zhuǎn)矩啟動，并且含零電壓矢量的系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性較好，轉(zhuǎn)矩波動比較小，并且在擾動后能在較短的時間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定。傳統(tǒng)DTC 采用的是按一定規(guī)則從預(yù)制的開關(guān)表中選取近似合適的電壓空間矢量對電機轉(zhuǎn)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(dǎo)致DTC 系統(tǒng)出現(xiàn)較大的磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動。文獻3介紹分析了SVM（空間矢量調(diào)制）是在一個控制周期內(nèi)，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(xiàn)電壓矢量的

10、線性連續(xù)可調(diào)。SVM DTC 控制可在不改變系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的條件下，獲得更多的連續(xù)變化的電壓空間矢量，進而實現(xiàn)對電機磁鏈和轉(zhuǎn)矩更精確的控制，從而降低轉(zhuǎn)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(chǔ)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(yōu)點，在動態(tài)情況下，采用自控方式對控制系統(tǒng)輸出電壓進行快速調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)能力以及增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，當電機進入穩(wěn)態(tài)運行時切換到他控方式，從而提高電機穩(wěn)態(tài)性能指標，減小轉(zhuǎn)速波動和轉(zhuǎn)矩脈動，兼顧調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)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(tǒng)轉(zhuǎn)子初始位置

11、檢測方法進行了分析與對比研究，給出基于漸變電壓矢量法的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸線時，可能會出現(xiàn)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(jié)果，以保證結(jié)果的正確性和更高的檢測精度。并將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與傳統(tǒng)的PID控制器結(jié)合，使系統(tǒng)有更好的動、靜態(tài)特性。文獻5從開關(guān)頻率優(yōu)化和電壓空間矢量合理選擇兩個方面提出了一種新的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方法，即通過逆變器開關(guān)頻率PI 調(diào)節(jié)得到轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度值。這樣在充分利用功率器件開關(guān)頻率的同時不僅克服了圓形磁鏈軌跡對功率器件高開關(guān)頻率要求的缺陷，而且克服了在轉(zhuǎn)速變化過程中采用固定滯環(huán)寬度值帶

12、來的功率器件開關(guān)頻率波動范圍大及由此造成低速轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)性能下降的缺陷。文獻12對永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中磁鏈觀測這一關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，設(shè)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(zhuǎn)矩控制技術(shù)中關(guān)鍵部分，直接關(guān)系到電機的運行性能和直接轉(zhuǎn)矩控制方案效果，適合永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)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?shù)拇沛溣^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(tǒng)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?shù)拇沛溣^測器在理論上的可行性。系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)運行平穩(wěn)，電流正弦

13、，磁鏈能夠運行在圓形軌跡上。(5).基于無傳感器控制通常，高性能的調(diào)速系統(tǒng)離不開閉環(huán)控制，但速度傳感器的安裝帶來了系統(tǒng)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(shù)成為研究熱點，其核心是如何準確獲取電機的轉(zhuǎn)速信息。文獻14指出，代表性的方案有：瞬時轉(zhuǎn)速估計法，PI 控制器法，模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)法，擴展卡曼濾波法，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。文獻6提出了在無位置傳感器的條件下檢測轉(zhuǎn)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(shù)影響比較小，在靜止、低速、高速范圍內(nèi)均可以估計出轉(zhuǎn)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(yīng)即可確定轉(zhuǎn)子的初始位置。文獻15

14、指出，早先的無傳感器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(xiàn)，但算法性能取決于電壓、電流的測量精度及電機參數(shù)準確性；擴展卡曼濾波法，可以直接獲得定子磁鏈矢量和轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)坐標系上利用電機穩(wěn)態(tài)操作的結(jié)果估計反電動勢，進而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估計，采用的反電動勢常數(shù)補償算法，系統(tǒng)對反電勢參數(shù)的變化相當穩(wěn)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(nèi)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

15、據(jù)輸入電壓檢測電流大小的方法，實現(xiàn)簡便，且沒有依賴電機參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型或要進行復(fù)雜計算等缺點。僅需要在原有的電機驅(qū)動電路的基礎(chǔ)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(qū)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(shù)，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(xiàn)起來簡便，無須預(yù)知電機的參數(shù)，無須增加硬件設(shè)備，僅須在每次啟動電

16、機時導(dǎo)入相應(yīng)程序即可。2、應(yīng)用領(lǐng)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(huán)；損耗低，效率高；功率因素高；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多樣，靈活；體積小，重量輕；起動轉(zhuǎn)矩大等等優(yōu)點。因此在電動車驅(qū)動方面具有較高的應(yīng)用價值，已經(jīng)受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視，并在日本得到了普遍的應(yīng)用， 比如鈴木every EV、日產(chǎn)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(lǐng)域應(yīng)用較廣。經(jīng)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(qū)動系統(tǒng)?；诋?/p>

17、前汽車對驅(qū)動電機的特殊要求，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(qū)動電機的解決方案已經(jīng)被越來越多地采用，永磁電機是在Y系列電機的基礎(chǔ)上，將電機轉(zhuǎn)子嵌入稀土釹鐵硼材料而成，其作為驅(qū)動電機具有如下特點1。轉(zhuǎn)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(xiàn)最佳設(shè)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(qū)動電機起動轉(zhuǎn)矩大，在汽車起動時能夠提供有效的起動轉(zhuǎn)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(shù)下降30%，力能指標下降40%。而永磁電機的效率和功率因

18、數(shù)下降甚微，當電機只有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(zhuǎn)矩區(qū)比較長，一直延伸到電機最高轉(zhuǎn)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(jié)能。在轉(zhuǎn)子上嵌入稀土永磁材料后，在正常工作時轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運行，轉(zhuǎn)子繞組無感生電流，不存在轉(zhuǎn)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(shù)。如在25% 120%額定負載范圍內(nèi)永磁同步電機可均可保持較高的效率和功率因素。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上大大簡化。同時省去了勵磁用的基

19、電環(huán)和電刷，不但改善了電機的工藝性,而且電機運行的機械可靠性大為增強,壽命增加。轉(zhuǎn)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(tǒng)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(jié)構(gòu)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(shù)高、力矩慣量比大、定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好。但存在最大轉(zhuǎn)矩受永磁體去磁約束，抗震能力差，高轉(zhuǎn)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

20、未來發(fā)展的需要以及市場的競爭，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(shè)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(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機械振動時有可能產(chǎn)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(fā)適用于電機制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)型式的抗去磁能力，以便設(shè)計和制造時，采用相應(yīng)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(jié)構(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了廣泛應(yīng)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

21、一般比電勵磁電機高，這需要用它的高性能和運行費用的節(jié)省來補償。在設(shè)計時既需要根據(jù)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(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計優(yōu)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(diào)節(jié)、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(shù)的發(fā)展，大多數(shù)永磁同步電機在應(yīng)用中，可以不進行磁場控制而只進行電樞控制。設(shè)計時需把永磁材料、電力電子器件和微機控制三項新技術(shù)結(jié)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(zhí)行元件的永磁交流伺服系統(tǒng)，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

22、的系統(tǒng)，同時其伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)方式（如基于DSP控制），從整體上提高系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化水平，這應(yīng)是當前發(fā)展高性能永磁同步電機伺服系統(tǒng)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(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)部分)兩個基本部分組成。繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組同定子繞組一樣也是三相的，它聯(lián)接成星型。每相繞組的的始端聯(lián)接在三個銅制的滑環(huán)上，滑環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸上。環(huán)與環(huán)，環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間都是互相絕緣的。在環(huán)上用彈簧壓著碳質(zhì)電刷。起動電阻和調(diào)速電阻是借助于電刷同滑環(huán)和轉(zhuǎn)子繞組聯(lián)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，三相定子繞組