永磁無刷電機的四大控制策略

任何電動機的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場和電樞磁場相互作用產(chǎn)生的。直流電動機的主磁場和電樞磁場在空間互差90°，因此可以獨立調(diào)節(jié)；交流電機的主磁場和電樞磁場互不垂直，互相影響。因此，長期以來，交流電動機的轉(zhuǎn)矩控制性能較差。經(jīng)過長期研究，目前的交流電機控制有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等方案。

一、恒壓頻比控制

恒壓頻比控制是一種開環(huán)控制。它根據(jù)系統(tǒng)的給定，利用空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出電壓uout進行控制，使電動機以一定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。在一些動態(tài)性能要求不高的場所，由于開環(huán)變壓變頻控制方式簡單，至今仍普遍用于一般的調(diào)速系統(tǒng)中，但因其依據(jù)電動機的穩(wěn)態(tài)模型，無法獲得理想的動態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動機的動態(tài)數(shù)學模型。永磁無刷電機的動態(tài)數(shù)學模型為非線性、多變量，它含有ω與id或iq的乘積項，因此要得到精確的動態(tài)控制性能，必須對ω和id，iq解耦。近年來，研究各種非線性控制器用于解決永磁無刷電機的非線性特性。

二、矢量控制

高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)需要現(xiàn)代控制理論的支持，對于交流電動機，目前使用最廣泛的當屬矢量控制方案。自1971年德國西門子公司F．Blaschke提出矢量控制原理，該控制方案就倍受青睞。因此，對其進行深入研究。

矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流電動機上模擬直流電機轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律，磁場定向坐標通過矢量變換，將三相交流電動機的定子電流分解成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使這兩個分量相互垂直，彼此獨立，然后分別調(diào)節(jié)，以獲得像直流電動機一樣良好的動態(tài)特性。因此矢量控制的關(guān)鍵在于對定子電流幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終的實施是對id，iq的控制。由于定子側(cè)的物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此調(diào)節(jié)、控制和計算都不方便。需借助復雜的坐標變換進行矢量控制，而且對電動機參數(shù)的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。

三、直接轉(zhuǎn)矩控制

矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動機控制方案。但因其需要復雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動機的機械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響應矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。針對矢量控制的這一缺點，德國學者Depenbrock于上世紀80年代提出了一種具有快速轉(zhuǎn)矩響應特性的控制方案，即直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。該控制方案摒棄了矢量控制中解耦的控制思想及電流反饋環(huán)節(jié)，采取定子磁鏈定向的方法，利用離散的兩點式控制直接對電動機的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩響應快等優(yōu)點。DTC最早用于感應電動機，1997年L Zhong等人對DTC算法進行改造，將其用于永磁無刷電機控制，目前已有相關(guān)的仿真和實驗研究。

DTC方法實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制。在得到電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩值后，即可對永磁無刷電機進行DTC。圖2給出永磁同步電機的DTC方案結(jié)構(gòu)框圖。它由永磁無刷電機、逆變器、轉(zhuǎn)矩估算、磁鏈估算及電壓矢量切換開關(guān)表等環(huán)節(jié)組成，其中ud，uq，id，iq為靜止(d，q)坐標系下電壓、電流分量。

雖然，對DTC的研究已取得了很大的進展，但在理論和實踐上還不夠成熟，例如：低速性能、帶負載能力等，而且它對實時性要求高，計算量大。

四、解耦控制

永磁無刷電機數(shù)學模型經(jīng)坐標變換后，id，id之間仍存在耦合，不能實現(xiàn)對id和iq的獨立調(diào)節(jié)。若想使永磁無刷電機獲得良好的動、靜態(tài)性能，就必須解決id，iq的解耦問題。若能控制id恒為0，則可簡化永磁無刷電機的狀態(tài)方程式為：

此時，id與iq無耦合關(guān)系，Te=npψfiq，獨立調(diào)節(jié)iq可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線性化。實現(xiàn)id恒為0的解耦控制，可采用電壓型解耦和電流型解耦。前者是一種完全解耦控制方案，可用于對id，iq的完全解耦，但實現(xiàn)較為復雜；后者是一種近似解耦控制方案，控制原理是：適當選取id環(huán)電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其具有相當?shù)脑鲆妫⑹冀K使控制器的參考輸入指令id*=O，可得到id≈id*=0，iq≈iq*o，這樣就獲得了永磁無刷電機的近似解耦。圖3給出基于矢量控制和id*=O解耦控制的永磁無刷電機。

雖然電流型解耦控制方案不能完全解耦，但仍是一種行之有效的控制方法，只要采取較好的處理方式，也能得到高精度的轉(zhuǎn)矩控制。因此，工程上使用電流型解耦控制方案的較多。然而，電流型解耦控制只能實現(xiàn)電動機電流和轉(zhuǎn)速的靜態(tài)解耦，若實現(xiàn)動態(tài)耦合會影響電動機的控制精度。另外，電流型解耦控制通過使耦合項中的一項保持不變，會引入一個滯后的功率因數(shù)。