永磁同步电动机调速控制系统的设计

    薛海明 薛洪森

    摘 要：建立矢量控制永磁同步电动机调速控制系统，可以有效加强控制系统的可靠性与适应性，提高系统的调速性能。在矢量控制永磁同步电动机调速控制系统中采用最新型的空间电压矢量脉宽调制技术，可以使工作中的逆变器得到控制，并使电子磁链矢量的运动轨迹随着电动机的运行逐渐靠近圆形的磁链轨迹。本文主要对永磁同步电动机调速控制系统的设计进行分析研究。

    关键词：永磁同步电动机；调速控制系统；设计

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.161

    可调速的永磁同步电动机是一种新型的同步电动机，所应用的范围十分广泛，具有体积小、损耗低以及效率高等优势。现阶段永磁同步电机得到了深入的应用，相关人员开始注重对永磁同步电机调速控制系统的探究。空间电压矢量控制技术在交流电动机变频调速中的得到了十分普及的应用，可以在一定程度上满足工业的发展。

    1 空间电压矢量脉宽调制技术

    空间电压矢量脉宽调制技术通常运用于磁链跟踪控制中。因此，也可以称为磁链跟踪控制技术。空间电压矢量脉宽调制技术是利用逆变器输出具有交替作用的多种基本空间电压矢量，使传输出的电压矢量进行合成，最终形成圆形磁链轨迹。同一个周期内的逆变器，若在六个有基础的基本电压空间矢量都进行一次输入，定子磁链矢量会直接出现六边形的运动轨迹，从而阻碍了圆形磁链轨迹的出现。为了可以在永磁同步电动机获取圆形磁链轨迹，可以借助多种基本空间电压矢量进行组合，从中获取具有不同等幅的空间电压矢量，使逆变器的使用状态逐渐增加。

    2 永磁同步電动机的运行情况

    永磁同步电动机所具备的结构特点是无法直接启动的，可以通过逆变器调节变频速度。当通入永磁同步电动机由三相逆变器经过空间电压矢量脉宽调制技术得到正弦交流电源后，永磁同步电动机会直接出现旋转磁场，在磁场中与转子永磁体磁钢产生相互作用，并产生与定子在同一方向绕组旋转的转矩，当永磁体产生的转矩与转子本身的惯量被永磁同步电动机中的电磁转矩进行克制后，永磁同步电动机可以被启动，并且速度也会随之上升，直到定子旋转磁场可以带动起转子永磁体磁钢同时开展工作。为了实现转矩的最大化，需要在永磁同步电动机运行时转子与定子磁通的夹角为直角[1]。

    3 对永磁同步电动机数学模型的分析探讨

    通过对永磁同步电动机的数学模型的分析，可以从中了解到应用最为广泛的数学模型是具有dq坐标系的，该数学模型不仅可以检测出永磁同步电动机的运行性能，更能深入了解到永磁同步电动机的瞬态性能。因此，相关人员应并在创建永磁同步电动机的数学模型时做出假设，首先，对于电动机铁心的饱和度不进行计算。其次，忽略电动机在运行时所出现的涡流以及磁滞的耗损情况。第三，假设三相交流电流为电动机的对称电流。第四，阻尼绕组并没有存在于转子上。

    4 矢量控制的永磁同步电动机调速系统的设计

    在矢量控制的永磁同步电动机调速系统的设计中，双闭环控制是所采用的电流转速方式，误差信号所输入的转速调节器是在转子的定值r*与实际值r之间所存在的差值。在矢量控制的永磁同步电动机调速系统中，实际检测出的永磁同步电动机由定子三相电流转换为两相电流，并将所得到的电流与调节器的输出进行比较，最终得到的差值应用于电流调节器的输入，并基于此，通过转变后输入到空间电压矢量脉宽调制技术与逆变器。空间电压矢量脉宽调制技术可以通过输出信号逆变器的多个开关器件，并通过多种途径的导通模式，产生多样的空间电压基本矢量，通过结合所产生的基本矢量，将其中制作成一组具有不同等幅的空间电压矢量，使永磁同步电动机根据输出电压所产生的磁通，逐渐拉近与预期磁通圆的距离，通过有效措施控制永磁同步电动机[2]。

    5 模糊PI自适应控制

    5.1 传统PI控制方法

    与模糊PI控制相比，传统PI控制中存在着比例系数与积分系数这两个参数，并且该参数是确定的，不会因为系统出现误差的变化，而进行改变。传统的PI控制方法缺乏准确性，对系统所产生的变化具有响应，并在此基础上，引入智能控制方法。控制方法也可以分为多种形式，其中主要包括专家控制，神经网络控制以及模糊控制等多种方式方法，其中模糊控制方法在本文中更适用于与传统PI控制方法进行结合，两者的结合为模糊PI控制。

    5.2 模糊PI控制方法

    模糊PI控制方法的控制器在转速环中，是以系统的误差以及误差所存在的变化率作为输入，并根据模糊PI控制方法中的规则，找出积分系数和比例系数之间所存在的内在联系。并在永磁同步电动机，检测出系统的误差。通过从找出的联系与误差，对积分系数于比例系数进行整合，使模糊PI控制参数可以满足出现系统的误差的要求。对于不同系统的误差，模糊PI控制器所存在的参数比例系数与积分系数的数值也是不同的，比例系数与积分系数为输出语言变量，与模糊控制器输入语言变量存在比较性。

    6 在仿真系统中创建仿真模型

    在MATLAB/SIMULINK中进行系统仿真模型的构建，使用自适应模糊PI控制和传统PI控制进行转速控制器ASR的仿真，并仿真MATLAB。在T m值为0时，逐一仿真这两种情况，在0.2s时，需要将3Nm的负载加于电机中，也就是T m值为3Nm时。对于转速控制器而言，借助仿真结果可以比较模糊PI和传统PI这两个方法，进而得出最终结论，并对结果做出比较。

    7 结论

    综上所述，是对永磁同步电动机调速控制系统的设计进行分析研究。通过设计永磁同步电动机调速控制系统，可以从中了解到在应用转速控制器时，采用模糊PI自适应控制器时，在仿真系统中，可以取得良好的效果，并满足电动机调速控制的需求，使永磁同步电动机调速控制系统的可行性得到了进一步的证实，为实际中的应用奠定了良好的基础。

    参考文献：

    [1]赵金越.基于模型参考自适应的电动车用永磁同步电动机无速度传感器控制系统研究[J].电气技术，2017（02）.

    [2]石凯.采用变换扩大永磁同步电动机恒转矩调速范围的矢量控制系统研究[J].电气开关，2017（05）.