开关磁通电机矢量控制技术研究

撰文/田国华

开关磁通电机矢量控制技术研究

撰文/田国华

本文通过对新型的12/10极开关磁通电机的控制方法进行了研究，通过将技术相对成熟的矢量控制方法应用到开关磁通电机，使得电机能够实现平稳调速、降低转矩脉动以及增加调速范围。本文首先介绍了12/10极开关磁通电机的发展背景；进而通过建立数学模型对开关磁通电机的工作原理进行了描述，从而为后文将矢量控制技术应用到开关磁通电机奠定了理论基础；最后，提出了基于矢量控制技术的开关磁通永磁同步电机控制技术，并且提出了系统的方案，并提出了本设计的创新点。开关磁通；矢量控制；永磁电机

■130013 一汽模具制造有限公司 吉林 长春

目前永磁电机主要采用永磁体安装在转子的结构，随着控制理论、永磁材料和电力电子技术的发展，基于磁场定向控制( fluxorientation control FOC)、直接转矩控制(direct torque control DTC)等先进控制算法的转子表面贴装式永磁( surface mounted permanent magnet SPM)电机以其优良的控制性能、高功率密度和高效率，越来越多地用于各种高性能伺服系统及其他领域。FSPM电机每相永磁磁链和反电势波形都接近正弦波，更适宜于BLAC(brushlessAC)运行方式。目前，国际上对于FSPM电机的研究成果均集中在电磁计算、静态特性分析、优化设计以及静态转矩特性分析等对电机本体的研究，而对于FSPM电机在实际驱动系统中应用效果的研究涉及很少。2009年，东南大学对FSPM电机的高性能控制策略展开研究。在分析FSPM电机结构与工作原理的基础上，提出利用FSPM电机的静态特性(永磁磁链、空载反电动势、电枢电感等)把定子永磁型结构的FSPM电机模型等效为转子永磁型的FSPM电机模型。根据FSPM电机自身特性，分别建模仿真并分析定子磁场定向控制(stator flux-orientation control FSOC)、DTC及基于空间矢量调制(space vectormodulation，SVM)DTC对FSPM电机运行特性的影响，得出恒定开关频率下稳态、动态及低速时的电流、转速、转矩以及磁链波形。并在此基础上对所述控制策略的仿真结果进行分析比较。通过dspic实验平台对FSPM电机FSOC驱动系统进行了实验验证。

图1.1　12/10极FSPM电机截面图

FSPM电机虽然本身具有优良的性能，但如何对电机电枢电流进行有效的控制，以实现高效和宽调速运行，则是一个具有挑战性的问题，FSPM电机结构独特，磁路存在着明显的局部饱和，齿槽效应和边缘效应，使传统永磁同步电机的弱磁控制方法不再适应。在这样一个复杂对象的控制问题面前，本文拟将空间矢量控制理论引入FSPM电机驱动系统，产生一种符合FSPM电机特点和要求的有效控制方法，并以DSP为核心构建新型FSPM电机全数字化控制系统，有效提高FSPM电机驱动系统的控制特性和运行性能，实现高性能永磁同步电机控制，具有重要的学术意义和应用价值，为以后FSPM电机的智能控制奠定基础。

1　FSPM电机基本原理

图1.1是本课题实验所用的三相FSPM 12/10极电机图。它的定子采用的是集中绕组方式，因此所用绕组相对较少，因此降低了损耗，它的转子则与开关磁阻电机的转子绕组相类似。定子绕组中将四组线圈连接而成为一相绕组，图1.1中的A1、A2、A3和A4共同组成了A相绕组。FSPM的定子存着U形的铁心，该铁芯具有导磁功能，并且定子中预置了12支可以充消磁的永磁体。定子永磁型电机相对转子永磁型电机而言，它有着更好地冷却性，具有更好地温度适应性。

FSPM电机的工作原理和开关磁阻电机的工作原理很接近，它们的转矩都存在磁阻性的特点，电机通过“磁阻最小原理”运行起来，也就是说电机的磁通的闭合方向总是朝着磁通量最小的方向，从而形成磁场扭曲的电磁转矩。当电机的转子从一个位置转动至临近的下一个位置时，电机定子绕组产生的磁通大小不变但是方向朝向相反方向，这种变化方式实现了磁通的切换。因此，我们可以知道开关磁通电机磁链的极性为双极性，磁链双极性是开关磁通永磁同步电机的一大特点。由于开关磁通永磁同步电机在结构上的特点，从而确保了电机每相的磁链和其对应的反电动势在每个极距（也就是360度）内为正弦波形式。由于具有良好的正弦波形式，因此可以用三相正弦交流电流驱动开关磁通永磁同步电机，而且FSPM在电机交流驱动领域应用前景非常看好。

2　FSPM电机矢量控制技术研究

矢量控制的核心是将电机定子绕组中的三相正弦定子电流ia、ib 和ic，如图2.1，假想的变换为d、q同步旋转坐标系的两直流分量电流id和iq，按照作用定义id为励磁分量，iq为转矩分量。其目的是将交流电机的控制方法比作直流电机的控制方法，进而通过控制直流电机的方法控制交流电机。我们知道直流电机的控制方法相对简单，可以通过分别控制励磁分量和转矩分量驱动电机调速运行，因此这种变换方式的好处就是控制更加简便。然而这种等效变换后的直流分量仅仅是假象的分量，实际并不存在，实际中电机定子绕组中的驱动电流仍然是交流电流，因此需要根据电机运行所需要id和iq以及电机转子的位置进行逆变换从而得到实际的正弦驱动电流。通过这种等效变换的方法实现了开关磁通永磁同步电机的矢量控制。开关磁通永磁同步电机定子上电流、电动势和磁动势等重要的物理量都是交流形式的物理量，这些交流量的控制以及计算对我们造成了很大的不变。这些交流物理量通过坐标变换变为旋转坐标系下的直流分量，从而使得我们在同步旋转坐标系上进行分析时，开关磁通永磁同步电机的各个物理量变为静止的直流分量。通过调节变换后的直流分量，就能够控制FSPM电机的速度与电磁转矩。除了控制方式的简化外，矢量控制还有着提高转矩性能、增加调速范围等优点。

图2.1 电机的空间矢量图

图2.2　硬件系统图

开关磁通永磁同步电机的矢量控制系统主电路主要由开关磁通永磁同步电机和其驱动模块逆变电路组成，其控制系统主要由系统控制电路、逆变器驱动电路和信号检测与调理电路等构成。其硬件系统的组成如图2.2所示。矢量控制系统主电路由380V交流电源供电，该三相交流电经过整流器件和滤波器件形成平滑的直流供电电压，通过控制和驱动电路将该电机供电电压变换为频率可调的三相交流电压，从而带动开关磁通电机以设定的速度运行。对于系统中电机的闭环调速功能，我们通过设置于电机转子上的增量式光电编码器，同步检测并反馈电机的实时速度，并根据电机的实时转速与设定速度的偏差调节电机电流频率及大小。系统的核心芯片采用德州仪器公司的TMS320LF2812，该芯片输出3.3V高电平的PWM脉冲信号，并通过信号调理电路与驱动电路从而驱动IGBT专用驱动芯片的的开关动作，进而驱动IGBT的开关。该系统通过TMS320LF2812上的JTAG接口，将在代码下载至芯片中，并且在电机正常运行时，DSP和上位机通过串口实现数据的实时通信，可以实时的采集电机运行的参数。

为了使本实验所用电机平稳的运行，除了对硬件电路系统进行系统的设计外，必须对系统控制核心软件部分进行研究。在本系统中，TMS320LF2812承的作用相当于系统神经中枢，管理着系统的运行及反馈。由于该系统需要对设定速度具有较为快速的反应，并且调速过程要求稳定，因此最基本的需求是系统中断周期尽可能的短。系统软件部分主要包括主程序、中断程序和PID闭环调节。在对系统程序进行编写的过程中要充分利用TMS320LF2812丰富的资源，系统的编程应按照模块化的思想，以便系统的拓展和修改，并且增加系统的可移植性。

3结论

本文的创新和特色在于探讨一种全新宽调速电机的运行机理、分析理论和控制策略，将非线性控制方法引入FSPM电机的控制，并以DSP为核心构建全数字化FSPM电机驱动系统，实现FSPM电机的高效率、宽调速运行，为FSPM电机驱动系统的实际应用打下坚实的理论和技术基础。这在国际同类研究中处于前沿，不仅有重要学术意义，而且有很好的应用前景。

参考：

[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].机械工业出版社， 1997.

[2]程明，周鹗.新型分裂绕组双凸极变速永磁电机的分析与控制[J].中国科学，2001，3(3)229～237.

[3]程明，周鹗，蒋全.双凸极变速永磁电机的静态特性[J]. 电工技术学报，1999，14(5):10～13.

作者简介：

田国华（1972.9.9-），男 籍贯：吉林省长春市，职称：高级工程师，研究方向：装备技术。