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1、台达变频器永磁同步马达控制技术摘要：本文主要阐述台达变频器在永磁同步马达上的控制技术，此控制技术展现出在变频器矢量控制上的通用性，将同步马达驱动范畴再一次细化，符合市场的需求。Abstract: In this paper, the control technique of PMSM inside Delta inverter is presented. This control technique can display the generality of inverter vector control, which can fractionize the PMSM application
2、fields and accord with the market requirement.1、 引言同步马达是与异步马达相对应的，异步马达表现为转子转速只与同步转速之间存在差异（即转差）才能产生有效的电磁转矩，其根本原因在于，异步马达采用单边励磁，即仅靠定子三相绕组通过三相交流电流产生定子旋转磁势和磁场，转子绕组则是通过与定子旋转磁场的相对切割而感应转子电势和电流的，并由转子感应电流产生转子旋转磁势和磁场。同步马达则不同，由于采用的是双边励磁，即不仅定子三相绕组通以三相交流电产生旋转磁势和磁场，而且转子绕组也因由直流励磁或永磁体产生磁势和磁场，从而要求转子转速必须与定子旋转磁场保持同步（转差
3、为零），才能产生有效的电磁转矩。同步马达的转子若采用永磁体则成为永磁同步马达（PMSM），PMSM具有功率密度高、转子转动惯量小、电枢电感小、运行效率高以及转轴上无滑环和电刷等优点，因而广泛应用于中小功率范围内（小于等于100KW）的高性能运动控制领域，如工业机器人、CNC数控机床等。目前，PMSM的数量和应用范围正呈迅速上升趋势。PMSM的种类繁多，按照其转子永磁体的结构分为表面式PMSM（SPM）与内置式PMSM（IPM），而按照定子绕组感应电势波形的不同，PMSM又可分为正弦波PMSM与无刷直流永磁电动机（BLDC）。本文介绍的控制技术均是在正弦波PMSM为对象的。2、 PMSM结构2.
4、1 SPM结构SPM定子绕组仍采用常规交流电机的三相分布式正弦绕组，旨在形成同步转速的定子旋转磁势和磁场；转子则通过环氧树脂将永磁体牢牢地粘接在转子铁心表面上。SPM结构如下图所示：图1 SPM结构考虑到永磁材料的相对磁导率较低（近似大于等于1），永磁体又粘接在转子表面上，因此表面永磁同步马达的有效气隙较大。而且，由于气隙均匀，转子为隐极式结构，其d轴和q轴同步电抗几乎相等，于是有Ld=Lq=Ls。由此可见，SPM呈现隐极式同步电动机的特点。2.2 IPM结构IPM定子绕组仍采用常规交流马达的三相正弦分布绕组，以形成同步速的定子旋转磁势和磁场，而转子则与SPM有所不同，其永磁体被牢牢地嵌入在转
5、子铁心内部。IPM如下图所示：图2 IPM结构在IPM中，转子永磁体的结构和形状是经过专门设计的，以确保转子磁势和磁场空间呈正弦分布，与SPM相比，IPM结构较为复杂，运行可靠，可以在高速场合下运行，且IPM气隙较小，d轴和q轴的同步电抗均较大，电枢反应磁势较大，因而存在相当大的弱磁空间，但去磁电枢反应磁势不易过大，以免永磁退磁。3、 PMSM控制方法3.1 PMSM数学模型在ABC轴系中，定义定子电流空间矢量为： （3-1）图3中，取转子永磁体产生的励磁磁场的基波部分，于是为励磁空间矢量。同转子一道旋转，在ABC坐标中的相位决定于电角度。于是可写出以ABC轴系表示的定子电压矢量方程。 （3-
6、2）式中，us为定子电压空间矢量，Rs为定子相电阻，Ls为等效同步电感。同感应马达不同的是，PMSM的气隙不一定是均匀的，由于永磁体内的磁导率接近空气，对于SPM转子而言，可以近似认为气隙是均匀的，而对于IPM转子结构来说，气隙是不均匀的，这样同步电感Ls就不是常数，这样就会给问题的分析带来很大的难度。为此常采取双轴理论来研究同步马达问题，对于PMSM来说也是如此，此时，去永磁体基波励磁磁场轴线为d轴，顺着转子旋转方向超前d轴90度电角度为q轴，dq轴系以电角度随同转子一道旋转，它的空间坐标以d轴与A轴间的电角度来确定。图3 PMSM矢量关系图 将式（3-2）变换为dq轴系坐标分量表示的电压方
7、程，可得： （3-3） （3-4）dq轴系的磁链方程为： （3-5） （3-6）式中，；。这里，是dq线圈的漏感，和以及和分别是dq轴定子线圈的自感和励磁电感。可以将永磁体等效为一个励磁线圈，具有与d轴定子线圈相同的有效匝数，等效励磁电流为，能产生与永磁体相同的基波励磁磁场，因此可有如下关系： （3-7）于是定子磁链方程可为： （3-8） （3-9） 将式（3-8）与（3-9）代入式（3-3）和（3-4），可得: （3-10） （3-11）在电动机运行中，若不计温度变化对永磁体供磁能力的影响，可认为是恒定的，即是个常值，式（3-10）中，实际上是d轴永磁体励磁磁场在q轴线圈中产生的运动电动势，
8、也就是空载电动势，在正弦状态下，即有： （3-12）式中，是永磁体励磁磁场在相绕组中感生的空载电动势有效值。由式（3-12）可得： （3-13）若以空载电动势表示，则有 （3-14） （3-15）式（3-14）与（3-15）即为PMSM考虑反向电动势下的电压模型。另外，由电磁磁链方程可得转矩模型如下： （3-16）对于IPM来说，由于转子气隙不均匀，永磁体内的磁导率很低，因此,这相当于将永磁体从转子中去除后，在定子旋转磁场作用下，由于交、直轴磁路不对称而产生的磁阻转矩，即，其与两轴电感差值成正比。对于SPM来说，其转子气隙可近似认为是恒定的，于是，因此，不存在磁阻转矩，而只存在励磁转矩，即，因
9、此式（3-16）此时可简化为： （3-17）3.2 PMSM矢量控制由于计算机技术的发展，特别是数字信号处理（DSP）的广泛应用，加之传感技术或无传感器控制技术以及现代化控制理论（包括智能控制）的日渐成熟，使得交流马达矢量控制不仅理论上更加完善，而且实用化程度也越来越高。PMSM矢量控制的具体实施方案有很多，一般而言，SPM与IPM不尽相同，SPM可直接令，且弱磁控制采用电压有效值判断，即当电压有效值大于VDC（DCBUS电压）则将反向增大，这样增大去磁作用，达到弱磁增大调速范围的目的。SPM矢量控制图如图4所示。由图4可以看出，由于快速电流环的控制使定子电流能快速跟踪参考电流，因此定子绕组相
10、当于是由电流源提供。这种控制的优点在于，由于定子电流是强迫输入的，因此，可以减少定子电感以及反电动势对伺服驱动系统动态的影响，也简化了控制过程。此外由于电磁转矩的响应速度取决于定子电流的跟踪能力，采用各种快速电流控制方法就是要提高这种跟踪能力，尽量减少跟踪过程中的延迟和畸变。IPM矢量控制相比于SPM则较为复杂，因为IPM永磁体为内装于转子铁心内，在力学性能上比较牢固，可允许更高的速度下运行，同时由于转子气隙小，导致同步电感大，存在较大的弱磁空间，可以有更大的调速范围。图5 SPM矢量控制由式（3-16）可知，磁阻转矩大小与和的差值有关，为分析方便，将式（3-16）标么值化，即写成： （3-1
11、8）由式（3-18）可知，当其他参数均恒定时，电磁转矩的大小决定于电流的两个分量，而对于每一个Te，可有无数组电流分量id与iq，当在额定转速以下运行时，由于铁耗不占主要的，而铜耗的比例很大，通常以产生Te所对应的最小电流分量为原则进行控制，即MTPA（Max Torque Per Ampere）理论。MTPA的思想为在IPM电流极限环内每一组电流分量或对应一个Te，若将这些电流分量点连成一条线就被称为MTPA线，该线必须在电流极限圆与电压极限圆内，否则超出范围则会导致去磁过大，无法恢复转子磁性。MTPA关系如图6所示：图6 IPM弱磁控制关系图可从图6中看出，当马达速度越快时，电压极限圆的直
12、径越小，而最终的电流分量必须在电流极限圆与电压极限圆交集的区域上，因此要完成MPTA控制，必须结合马达速度和转矩信息。基于此可提出IPM的矢量控制图如下：图6 IPM矢量控制从图6中可看出，马达速度检测采用旋转变压器（Resolver），这是因为Resolver可以耐高温与恶劣的环境，且获取偏移角方便，故在PMSM需要获取磁极位置的控制方式中得到广泛应用。3.2 台达C2000变频器台达C2000变频器为台达集团IABU事业部推出的一款综合性高端矢量控制变频器，其最大的特色之一即可进行PMSM控制，且可适用以编码器、Resolver等多种不同速度检测装置，控制对象不仅为SPM，也包括IPM控制，可谓变频器中的伺服驱动。图7 台达C2000家族外观图4、 结语PMSM马达控制技术分为SPM与IPM
