永磁同步门机

交流永磁同步马达，为区别其它永磁马达,业内俗称"纯永磁同步马达"、"正宗永磁同步马达"，与用于数控机床、加工中心上的交流伺服马达是同宗关系，反电势都是正弦波，变频器给马达的电源也是经过交直交逆变后的正弦波交流电,闭环运行，马达的旋转磁场是圆形的，力矩均匀，由于磁场高次谐波分量微小，则转矩脉动小，与相应的编码器相配合(通常低转速马达配高分辨率的编码器，2048线以上)，调速范围可在1:1000甚至更高，如果是伺服驱动级别的变频器，除了可以做到很好的力矩和速度控制外，还可以做到精确的位置控制，高端的加工中心上使用的交流永磁同步马达和伺服控制器就是如此。由于上述的"先天"优点，交流永磁马达及变频器应用在电梯开门机上，直接表现为运行曲线平滑，舒适度好，全速区范围恒转矩及启动时的大转矩、低电流，使开门机响应速度快，随动性能好，低速大转矩的设计满足了开门机直驱的需要，也省却了传动轮，使开门机结构更紧凑可靠。

永磁无刷直流马达目前大量应用于缝纫机产品上，与其相配备的霍尔元件(感应式，无光栅码盘)靠磁场感应，其分辨率非常低，适用于高速状态运行(缝纫机的无刷直流马达转速高达8000-12000转/分钟)，其反电势为方波或梯形波，电源为直流。马达的旋转磁场是多边形的，无法实现矢量控制，并且转矩脉动大，高次谐波幅值偏大，低速运行时不平稳，不适宜在开门机上使用(直驱的开门机永磁马达通常在200转/分钟以内)。

永磁低速电机在结构上转子呈齿轮状，定子的大齿套小齿，通常定子磁场转一圈，转子磁场转一个齿，虽然可以实现低转速，但是由于靠磁导的变化产生力矩，启动力矩较低，电机单位体积出力低，在噪音、体积、控制精度上都有其局限性。

永磁低速电机是一种有碳刷马达，要求直流电源, 其结构复杂，且机械换向带来一系列问题，如火花对环境的污染，碳粉的污染，碳刷和换向器的磨损,更需经常维护等，寿命短。其在开门机上使用比异步电机加变频并无多大的优点。永磁步进马达，以步进方式开环运转，不太适合开关门的低速运行状态。

异步电机，过去一直使用在开门机上，虽然使用了异步变频器，但是与交流永磁同步调速电机比较，由于效率低、功率因数低、调速范围小、做不到恒转矩，需要减速机构等的先天不足，正在退出这一领域，这是无可奈何的。

北京明正维元电机技术有限公司，自2000年成立以来，始终专注于交流永磁同步电机的开发、制造和应用，先后在交流伺服电机、电梯无齿轮曳引机、永磁同步风力发电机、交流永磁同步调速电机等领域多有建树，最新推出了交流永磁同步电梯开门机马达满足市场需求，欢迎电梯企业咨询。

1 引言

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。因此。这里对永磁同步电机的控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向。

2 永磁同步电动机的数学模型

当永磁同步电动机的定子通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转。电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外，转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组。从而产生空载电动势。为了便于分析，在建立数学模型时，假设以下参数：①忽略电动机的铁心饱和；②不计电机中的涡流和磁滞损耗；③定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆按正弦分布，即忽略磁场中所有的空间谐波；④各相绕组对称，即各相绕组的匝数与电阻相同，各相轴线相互位移同样的电角度。

在分析同步电动机的数学模型时，常采用两相同步旋转(d，q)坐标系和两相静止(α，β)坐标系。图1给出永磁同步电动机在(d，q)旋转坐标系下的数学模型。

(1)定子电压方程为：

式中：r为定子绕组电阻；p为微分算子，p=d/dt；id，iq为定子电流；ud，uq为定子电压；ψd，ψq分别为磁链在d，q轴上的分量；ωf为转子角速度(ω=ωfnp)；np为电动机极对数。

(2)定子磁链方程为：

式中：ψf为转子磁链。

(3)电磁转矩为：

式中：J为电机的转动惯量。

若电动机为隐极电动机，则Ld=Lq，选取id，iq及电动机机械角速度ω为状态变量，由此可得永磁同步电动机的状态方程式为：

由式(7)可见，三相永磁同步电动机是一个多变量系统，而且id，iq，ω之间存在非线性耦合关系，要想实现对三相永磁同步电机的高性能控制，是一个颇具挑战性的课题。

3 永磁同步电动机的控制策略

任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差90°，因此可以独立调节；交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。因此，长期以来，交流电动机的转矩控制性能较差。经过长期研究，目前的交流电机控制有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等方案。

3．1 恒压频比控制

恒压频比控制是一种开环控制。它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出电压uout进行控制，使电动机以一定的转速运转。在一些动态性能要求不高的场所，由于开环变压变频控制方式简单，至今仍普遍用于一般的调速系统中，但因其依据电动机的稳态模型，无法获得理想的动态控制性能，因此必须依据电动机的动态数学模型。永磁同步电动机的动态数学模型为非线性、多变量，它含有ω与id或iq的乘积项，因此要得到精确的动态控制性能，必须对ω和id，iq解耦。近年来，研究各种非线性控制器用于解决永磁同步电动机的非线性特性。

3．2 矢量控制

高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持，对于交流电动机，目前使用最广泛的当属矢量控制方案。自1971年德国西门子公司F．Blaschke提出矢量控制原理，该控制方案就倍受青睐。因此，对其进行深入研究。

矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特性。因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置(频率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对id，iq的控制。由于定子侧的物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，因此调节、控制和计算都不方便。需借助复杂的坐标变换进行矢量控制，而且对电动机参数的依赖性很大，难以保证完全解耦，使控制效果大打折扣。

3．3 直接转矩控制

矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案。但因其需要复杂的矢量旋转变换，而且电动机的机械常数低于电磁常数，所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩。针对矢量控制的这一缺点，德国学者Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案，即直接转矩控制(DTC)。该控制方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节，采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点。DTC最早用于感应电动机，1997年L Zhong等人对DTC算法进行改造，将其用于永磁同步电动机控制，目前已有相关的仿真和实验研究。

DTC方法实现磁链和转矩的双闭环控制。在得到电动机的磁链和转矩值后，即可对永磁同步电动机进行DTC。图2给出永磁同步电机的DTC方案结构框图。它由永磁同步电动机、逆变器、转矩估算、磁链估算及电压矢量切换开关表等环节组成，其中ud，uq，id，iq为静止(d，q)坐标系下电压、电流分量。

虽然，对DTC的研究已取得了很大的进展，但在理论和实践上还不够成熟，例如：低速性能、带负载能力等，而且它对实时性要求高，计算量大。

3．4 解耦控制

永磁同步电动机数学模型经坐标变换后，id，id之间仍存在耦合，不能实现对id和iq的独立调节。若想使永磁同步电动机获得良好的动、静态性能，就必须解决id，iq的解耦问题。若能控制id恒为0，则可简化永磁同步电动机的状态方程式为：

此时，id与iq无耦合关系，Te=npψfiq，独立调节iq可实现转矩的线性化。实现id恒为0的解耦控制，可采用电压型解耦和电流型解耦。前者是一种完全解耦控制方案，可用于对id，iq的完全解耦，但实现较为复杂；后者是一种近似解耦控制方案，控制原理是：适当选取id环电流调节器的参数，使其具有相当的增益，并始终使控制器的参考输入指令id*=O，可得到id≈id*=0，iq≈iq*o，这样就获得了永磁同步电动机的近似解耦。图3给出基于矢量控制和id*=O解耦控制的永磁同步电动机

调速系统框图。

虽然电流型解耦控制方案不能完全解耦，但仍是一种行之有效的控制方法，只要采取较好的处理方式，也能得到高精度的转矩控制。因此，工程上使用电流型解耦控制方案的较多。然而，电流型解耦控制只能实现电动机电流和转速的静态解耦，若实现动态耦合会影响电动机的控制精度。另外，电流型解耦控制通过使耦合项中的一项保持不变，会引入一个滞后的功率因数。

4 结语

上述永磁同步电动机的各种控制策略各有优缺点，实际应用中应当根据性能要求采用与之相适应的控制策略，以获得最佳性能。永磁同步电动机以其卓越的性能，在控制策略方面已取得了许多成果，相信永磁同步电动机必然广泛地应用于国民经济的各个领域。