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永磁同步电动机系统的应用和研究
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 上海交通大学 谭茀娃 金如麟 点击:
世界性的能源危机成为阻碍全球经济发 展的瓶颈，使节能成为动力机械的重大课题。变频装置的出现解决了同步的自起动问题；高性能永磁材料的发展，不但使PMSM实现了无刷化，使永磁同步电动机和异步电动机一样具有结构简单、可靠性高等优点；同时由于它无需激磁绕组，明显地减小了体积、重量、损耗、发热，提高了效率和功率因数，具有明显的节能效果。尤其在现代的PMSM运动控制系统中〔1〕,它比异步电动机更便于实现磁场定向控制，可以获得与直流电动机一样优良的转矩控制特性，使控制系统具有十分优良的动、静态特性。近年来国内外正大力推广PMSM的应用，专家预言，2000年－2010年将是PMSM及其系统大发展的年代。
PMSM及其系统的典型应用
(1)新颖的船用电力推进器-吊舱式推进器(Podded propulsor)
将实现磁场定向控制的PMSM置于密封吊舱内，与电动机轴端的螺旋桨一起置于船舱外底部(如图1、图2所示)，通过电缆向PMSM装置供电，由专用变器实现磁场定向和变频调速，驱动螺旋桨实现船舶运动。该推进系统取消了一般电力推进系统中的减速器、、长的轴系等机械传动部分。同时由于整个推进系统集中在吊舱内，该吊舱可以360°转动，从而起到舵的作用。吊舱浸没于海水中，也改善了PMSM的冷却效果。
·取消了原来船舱内原动机、传动系统等部分，从而增加了船舱的有效容积；
·可以取消舵和尾侧推进器；
·PMSM系统的优良控制性能使船舶的前进、倒车、停车、回转等控制性能明显改善；
·推进器置于舱外，明显改善了船舶的振动噪声。
以上技术进步获得了巨大的市场机会，从 20世纪90年代开始，芬兰ABB公司和德国SIEMENS公司等已成功地在豪华游轮、专用油轮、破冰船、近海船和工程船上使用吊舱式推进器。
电气伺服技术在机电一体化产品中应用最为广泛，在精密机械加工中应用非常广泛的数控机床对动态和静态的控制精度提出了很高的要求 ：
·具有高达10000∶1的调速范围以满足低速加工和高速返回的要求；
·应能产生足够大的力矩以满足加、减速力矩的要求；
·系统动态响应要快，应具有良好的动态跟随性能，能尽快消除负载扰动对电动机速度的影响；
·整个调速范围内，尤其在低速甚至零转速都要求尽可能小的转矩脉动，保持运行平稳，噪声低，在停转时不产生爬行现象和高频振动；
·伺服电动机应安全可靠，无须维护或易维护，能在恶劣的工作环境下无火花运行；·系统接口应简便，能方便地接收上一级的控制指令，并能将本身运行状态的信息反馈给上一级控制器〔2〕。
图3是用于工业缝纫机的PMSM伺服，通过端盖固定于机架，不设机座，简化了结构，减小了体积、重量，革新了缝纫设备。
图4是我们研发的电梯用直接驱动永磁同步曳引机，已成功用于新一代的电梯曳引中，并形成了完整系列产品。
·外转子结构显著减小了体积和重量；
·永磁转子确保了高性能、长寿命、低损耗、高效率；
·具有优良的起、制动性能和动态性能；
·无结构取消了传统的减速箱，无需润滑，免维护，可靠性和传动效率大为提高；
·宁静的运行，消除了齿轮传动噪声和振动；电机低速直接驱动降低 了电机的噪声和振动；低损耗、低发热，从而免除了风扇产生的噪声；
·设计精巧的直接驱动永磁同步曳引机体积小，为客户创造更多的可用空间。值得一提的是，载重250kg～630kg的家用小梯在别墅和小高层等新建筑中有很大的商机，而且可以实现无机房。
用于电动车辆、港用起重机等具有弱磁控制的PMSM系统
这些装备工况很复杂，对PMSM系统的要求亦高：
·瞬时功率大，过载能力大，加速、制动性能好；
·调速范围大，需具有恒转矩区和弱磁控制的恒功率区；
·整个运行范围要有高的效率；
·可靠性高。
PMSM系统具有高功率密度、高效率，适合以上要求。我们已研发用于港用起重机的PMSM。
用于精密高速驱动的无刷直流电动机及其系统
无刷直流电动机又称为自频式PMSM。图5是某外置式人工心脏血泵转子图，转子采用了高性能钕铁硼永磁材料，圆柱形径向充磁的磁路结构，为保证血液在、转子之间气隙中畅通，必须保证除定、转子表面的特殊密封层外还有足够的间隙，定子线圈采用特殊的空心杯绕组结构，彻底解决了齿槽效应，并便于制造。定子绕组采用三相Y型接法，与桥式电子开关电路配合，提高了绕组利用率，缩小了体积。若采用内置式人工心脏血泵， 可进一步减小气隙，提高磁钢利用率，减小体积和重量。我们试制的样机重量已控制在100多克，现己进入动物性试验阶段。样机还采用了无位置传感器的设计，消除了霍尔元件多根引线造成的密封困难。
PMSM及其系统的研究
PMSM的弱磁控制
综上所述，在许多场合，PMSM都需要很大的调速范围。为了使PMSM能合理地进行高速运行，拓宽PMSM的调速范围，需要使PMSM减弱磁场运行。永磁转子磁场不可能直接将其减弱，为此可以利用直轴电枢反应使电动机气隙磁场减弱，等效于直接减弱磁场的控制效果。
PMSM一般由电力电子器件组成的变频器驱动，故电枢电流及端电压在弱磁控制中必定受到限制，其约束条件为：对典型的面装式PMSM转子结构，建立在转子角速度ωr旋转的dq坐标系中的数学模型为由式(2)可见，如果id=0 ，则PMSM端us电压随速度ωγ成正比增加，当转矩电流id增大时，端电压us也随之增大。但如果充分控制id，逐渐增大了去磁效应，在高速运行时，弱磁控制能维持端电压不变，不超出最高允许值。故在弱磁区域，应充分控制id，维持us=Usmax。但id不能无限增大，必须控制PMSM的电流幅值在最大允许电流Ismax范围。
当ωγ=ωγ3时，id=0，即电磁转矩为零。 ωγ3即PMSM能达到的最高速度。
由上述分析可知，弱磁的升速控制过程实际上是保持端电压不变，降低输出转矩的过程，即调节d轴与q轴电流分量在受限状态下的分配关系。
减小低速时的转矩波动
综上述，PMSM伺服驱动装置应特别注意减小低速时的转矩波动。从理论分析可知,谐波转矩和齿槽转矩是造成转矩波动的主要原因〔2〕〔3〕〔4〕。可以分为两大类减小转矩脉动的技术。一类是从电机本体设计出发，通过优化气隙磁场波形(如对内装式磁钢结构，采用偏心气隙〔5〕〔6〕)，斜槽或斜磁极，增大气隙，减小槽口，采用磁性槽楔，采用分数槽绕组等，可以消除或削弱齿槽转矩、减小定位力矩；亦可改善感应电动势波形和减小谐波转矩。另一类是从控制器出发，如采用快速电流跟踪的变频装置供电，以获得理想的电流波形，从而减小谐波转矩，这里不再详述。
以下讨论斜槽和分数槽，利用能量法可得齿槽转矩谐波次数式中，2p是极数，Z1是定子槽数，Nm是Z1 和2p的最大公约数。γ越大，谐波次数越高，齿槽转矩的幅值越小。亦可用评价因子式中， Nc是Z1与2p的最小公倍数。CT越大，说明齿槽转矩越大。
建议的斜槽比由式(5)可知，在不同的槽数与极数之比时，消除齿槽转矩的斜槽比可以有多种选择。例如对Z1=12, 2P=4, m=3的PMSM，因为 NC=12, 斜槽比β只能取1, 但当Z1=12, 2p=8, m=3时，NC=24，所以β可以取1或0.5，即定子斜一个齿距或半个齿距都能消除齿谐波转矩，显然后者对设计或工艺都是有利的。
再者分数槽，从式(2)可见，由于槽数不是极数的整数倍，显然增大了谐波次数 ，减小了齿槽转矩的幅值，以上述两例为例：从上从理论上证明了采用分数槽绕组的优点。近年来在家电领域，为了进一步减小振动、噪声，有采用大分母值的分数槽绕组结构，可以用较小的定子槽数，获得很高次数的谐波，从而明显减小齿槽转矩幅值。例如某洗衣机用PMSM：可见若采用整数槽绕组，至少需要180槽，若采用 1/2的分数槽绕组，也至少需90槽才能达到相应效果，而现在取 ，即能获得同等效果。
无机械位置传感器PMSM及其系统的研究
从前述讨论可知，采用磁场定向的PMSM可获得与直流电机一样优良的转矩控制特性，为此必须实时获得PMSM转子的位置和速度信息，一般是由安装在轴端的光电编码器等机械式传感器来实现，但也带来了下述问题.
机械式传感器带来的问题
·机械传感器增加了PMSM转子的转动惯量，增大了电机空间尺寸和体积，增加了电机和控制系统之间的连接线和接口电路，使系统易受干扰，降低了可靠性；
·机械传感器对使用条件如温度、湿度、振动等均有一定的限制，从而限制了PMSM及其系统的应用场合；
·机械传感器若在轴上安装不当，产生不同心度，将影响系统的控制精度；
·机械传感器及其辅助电路增加了系统的成本，有些高精度传感器价格甚至高于电机自身的价格。
估算PMSM转子的位置和速度的方法
为了克服上述缺点，近年来无机械位置传感器的PMSM系统研究十分活跃，希望利用电机本身的有关信息，建立数学模型，估算PMSM转子的位置和速度，取代机械传感器。大致可以归结有下列方法：
·利用定子端电压和电流直接计算转子位置和速度；
·降阶状态观测器、推广卡尔曼滤波器、滑模观测器等基础上的估算方法；
·模型参考自适应算法；
·基于定子三次谐波相电压的估算方法；
·检测反电动势的转子位置估算方法；
·神经元网络、模糊控制、专家系统等人工智能理论基础上的估算方法。
相信在不远的将来，这些研究成果将进入产业化阶段，给PMSM系统带来突破性进展。(end)
PMSM及其系统的典型应用
(1)新颖的船用电力推进器-吊舱式推进器(Podded propulsor)
将实现磁场定向控制的PMSM置于密封吊舱内，与电动机轴端的螺旋桨一起置于船舱外底部(如图1、图2所示)，通过电缆向PMSM装置供电，由专用变器实现磁场定向和变频调速，驱动螺旋桨实现船舶运动。该推进系统取消了一般电力推进系统中的减速器、、长的轴系等机械传动部分。同时由于整个推进系统集中在吊舱内，该吊舱可以360°转动，从而起到舵的作用。吊舱浸没于海水中，也改善了PMSM的冷却效果。
图1 置于舱外的吊舱式推进器
·取消了原来船舱内原动机、传动系统等部分，从而增加了船舱的有效容积；
·可以取消舵和尾侧推进器；
·PMSM系统的优良控制性能使船舶的前进、倒车、停车、回转等控制性能明显改善；
·推进器置于舱外，明显改善了船舶的振动噪声。
以上技术进步获得了巨大的市场机会，从 20世纪90年代开始，芬兰ABB公司和德国SIEMENS公司等已成功地在豪华游轮、专用油轮、破冰船、近海船和工程船上使用吊舱式推进器。
图2 吊舱推进器
电气伺服技术在机电一体化产品中应用最为广泛，在精密机械加工中应用非常广泛的数控机床对动态和静态的控制精度提出了很高的要求 ：
·具有高达10000∶1的调速范围以满足低速加工和高速返回的要求；
·应能产生足够大的力矩以满足加、减速力矩的要求；
·系统动态响应要快，应具有良好的动态跟随性能，能尽快消除负载扰动对电动机速度的影响；
·整个调速范围内，尤其在低速甚至零转速都要求尽可能小的转矩脉动，保持运行平稳，噪声低，在停转时不产生爬行现象和高频振动；
·伺服电动机应安全可靠，无须维护或易维护，能在恶劣的工作环境下无火花运行；·系统接口应简便，能方便地接收上一级的控制指令，并能将本身运行状态的信息反馈给上一级控制器〔2〕。
图3是用于工业缝纫机的PMSM伺服，通过端盖固定于机架，不设机座，简化了结构，减小了体积、重量，革新了缝纫设备。
图3 用于工业缝纫机的永磁同步伺服电动机
图4是我们研发的电梯用直接驱动永磁同步曳引机，已成功用于新一代的电梯曳引中，并形成了完整系列产品。
图4 电梯用直接驱动永磁曳引机
·外转子结构显著减小了体积和重量；
·永磁转子确保了高性能、长寿命、低损耗、高效率；
·具有优良的起、制动性能和动态性能；
·无结构取消了传统的减速箱，无需润滑，免维护，可靠性和传动效率大为提高；
·宁静的运行，消除了齿轮传动噪声和振动；电机低速直接驱动降低 了电机的噪声和振动；低损耗、低发热，从而免除了风扇产生的噪声；
·设计精巧的直接驱动永磁同步曳引机体积小，为客户创造更多的可用空间。值得一提的是，载重250kg～630kg的家用小梯在别墅和小高层等新建筑中有很大的商机，而且可以实现无机房。
用于电动车辆、港用起重机等具有弱磁控制的PMSM系统
这些装备工况很复杂，对PMSM系统的要求亦高：
·瞬时功率大，过载能力大，加速、制动性能好；
·调速范围大，需具有恒转矩区和弱磁控制的恒功率区；
·整个运行范围要有高的效率；
·可靠性高。
PMSM系统具有高功率密度、高效率，适合以上要求。我们已研发用于港用起重机的PMSM。
用于精密高速驱动的无刷直流电动机及其系统
无刷直流电动机又称为自频式PMSM。图5是某外置式人工心脏血泵转子图，转子采用了高性能钕铁硼永磁材料，圆柱形径向充磁的磁路结构，为保证血液在、转子之间气隙中畅通，必须保证除定、转子表面的特殊密封层外还有足够的间隙，定子线圈采用特殊的空心杯绕组结构，彻底解决了齿槽效应，并便于制造。定子绕组采用三相Y型接法，与桥式电子开关电路配合，提高了绕组利用率，缩小了体积。若采用内置式人工心脏血泵， 可进一步减小气隙，提高磁钢利用率，减小体积和重量。我们试制的样机重量已控制在100多克，现己进入动物性试验阶段。样机还采用了无位置传感器的设计，消除了霍尔元件多根引线造成的密封困难。
图5 外置式人工心脏血泵转子
PMSM及其系统的研究
PMSM的弱磁控制
综上所述，在许多场合，PMSM都需要很大的调速范围。为了使PMSM能合理地进行高速运行，拓宽PMSM的调速范围，需要使PMSM减弱磁场运行。永磁转子磁场不可能直接将其减弱，为此可以利用直轴电枢反应使电动机气隙磁场减弱，等效于直接减弱磁场的控制效果。
PMSM一般由电力电子器件组成的变频器驱动，故电枢电流及端电压在弱磁控制中必定受到限制，其约束条件为：对典型的面装式PMSM转子结构，建立在转子角速度ωr旋转的dq坐标系中的数学模型为由式(2)可见，如果id=0 ，则PMSM端us电压随速度ωγ成正比增加，当转矩电流id增大时，端电压us也随之增大。但如果充分控制id，逐渐增大了去磁效应，在高速运行时，弱磁控制能维持端电压不变，不超出最高允许值。故在弱磁区域，应充分控制id，维持us=Usmax。但id不能无限增大，必须控制PMSM的电流幅值在最大允许电流Ismax范围。
图6 产生最大转矩时的电动机电流矢量轨迹
图7 AC永磁电动机的弱磁控制特性
当ωγ=ωγ3时，id=0，即电磁转矩为零。 ωγ3即PMSM能达到的最高速度。
由上述分析可知，弱磁的升速控制过程实际上是保持端电压不变，降低输出转矩的过程，即调节d轴与q轴电流分量在受限状态下的分配关系。
减小低速时的转矩波动
综上述，PMSM伺服驱动装置应特别注意减小低速时的转矩波动。从理论分析可知,谐波转矩和齿槽转矩是造成转矩波动的主要原因〔2〕〔3〕〔4〕。可以分为两大类减小转矩脉动的技术。一类是从电机本体设计出发，通过优化气隙磁场波形(如对内装式磁钢结构，采用偏心气隙〔5〕〔6〕)，斜槽或斜磁极，增大气隙，减小槽口，采用磁性槽楔，采用分数槽绕组等，可以消除或削弱齿槽转矩、减小定位力矩；亦可改善感应电动势波形和减小谐波转矩。另一类是从控制器出发，如采用快速电流跟踪的变频装置供电，以获得理想的电流波形，从而减小谐波转矩，这里不再详述。
以下讨论斜槽和分数槽，利用能量法可得齿槽转矩谐波次数式中，2p是极数，Z1是定子槽数，Nm是Z1 和2p的最大公约数。γ越大，谐波次数越高，齿槽转矩的幅值越小。亦可用评价因子式中， Nc是Z1与2p的最小公倍数。CT越大，说明齿槽转矩越大。
建议的斜槽比由式(5)可知，在不同的槽数与极数之比时，消除齿槽转矩的斜槽比可以有多种选择。例如对Z1=12, 2P=4, m=3的PMSM，因为 NC=12, 斜槽比β只能取1, 但当Z1=12, 2p=8, m=3时，NC=24，所以β可以取1或0.5，即定子斜一个齿距或半个齿距都能消除齿谐波转矩，显然后者对设计或工艺都是有利的。
再者分数槽，从式(2)可见，由于槽数不是极数的整数倍，显然增大了谐波次数 ，减小了齿槽转矩的幅值，以上述两例为例：从上从理论上证明了采用分数槽绕组的优点。近年来在家电领域，为了进一步减小振动、噪声，有采用大分母值的分数槽绕组结构，可以用较小的定子槽数，获得很高次数的谐波，从而明显减小齿槽转矩幅值。例如某洗衣机用PMSM：可见若采用整数槽绕组，至少需要180槽，若采用 1/2的分数槽绕组，也至少需90槽才能达到相应效果，而现在取 ，即能获得同等效果。
无机械位置传感器PMSM及其系统的研究
从前述讨论可知，采用磁场定向的PMSM可获得与直流电机一样优良的转矩控制特性，为此必须实时获得PMSM转子的位置和速度信息，一般是由安装在轴端的光电编码器等机械式传感器来实现，但也带来了下述问题.
机械式传感器带来的问题
·机械传感器增加了PMSM转子的转动惯量，增大了电机空间尺寸和体积，增加了电机和控制系统之间的连接线和接口电路，使系统易受干扰，降低了可靠性；
·机械传感器对使用条件如温度、湿度、振动等均有一定的限制，从而限制了PMSM及其系统的应用场合；
·机械传感器若在轴上安装不当，产生不同心度，将影响系统的控制精度；
·机械传感器及其辅助电路增加了系统的成本，有些高精度传感器价格甚至高于电机自身的价格。
估算PMSM转子的位置和速度的方法
为了克服上述缺点，近年来无机械位置传感器的PMSM系统研究十分活跃，希望利用电机本身的有关信息，建立数学模型，估算PMSM转子的位置和速度，取代机械传感器。大致可以归结有下列方法：
·利用定子端电压和电流直接计算转子位置和速度；
·降阶状态观测器、推广卡尔曼滤波器、滑模观测器等基础上的估算方法；
·模型参考自适应算法；
·基于定子三次谐波相电压的估算方法；
·检测反电动势的转子位置估算方法；
·神经元网络、模糊控制、专家系统等人工智能理论基础上的估算方法。
相信在不远的将来，这些研究成果将进入产业化阶段，给PMSM系统带来突破性进展。(end)
