高性能交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)現(xiàn)狀
永磁同步電機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
早期對(duì)永磁同步電機(jī)的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動(dòng)性能的研究。永磁同步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)是依靠阻尼繞組提供的異步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)加速到接近同步轉(zhuǎn)速，然后由磁阻轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)牽入同步。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在這方面做了大量的研究工作。
上個(gè)世紀(jì)八十年代國(guó)外開(kāi)始對(duì)逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行深入的研究。逆變器供電的永磁同步電機(jī)與直接起動(dòng)的永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，但在大多數(shù)情況下無(wú)阻尼繞組。阻尼繞組有以下缺點(diǎn)：第一，阻尼繞組產(chǎn)生熱量，使永磁材料溫度上升；第二，阻尼繞組增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、使電機(jī)力矩慣量比下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機(jī)脈動(dòng)力矩增大。在逆變器供電情況下，永磁同步電機(jī)的原有特性將會(huì)受到影響，其穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性與恒定頻率下的永磁同步電機(jī)相比有不同
的特點(diǎn)。一九八○年后發(fā)表了大量的論文研究永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性。A.V.Gumaste等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性。
隨著對(duì)永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能要求的不斷提高，需要設(shè)計(jì)出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機(jī)，G.R.Slemon等人針對(duì)調(diào)速系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)性能和高效率的要求，提出了現(xiàn)代永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的全數(shù)字控制也取得了很大的發(fā)展。D.Naunin等研制了一種永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，采用了十六位單片機(jī)8097作為控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的全數(shù)字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等發(fā)表了大量關(guān)于永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)全數(shù)字控制的論文。
永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制器大多采用比例積分（PI）控制。PI控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能良好，對(duì)被控制對(duì)象參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。一九九一年，R.B.Sepe首次在轉(zhuǎn)速控制器中采用自校正控制。早期自適應(yīng)控制主要應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)劉天華等首次將魯棒控制理論應(yīng)用于永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，模型和參數(shù)是不斷變化的，參數(shù)和模型的變化將引起控制系統(tǒng)性能的降低。現(xiàn)代控制理論中的各種魯棒控制技術(shù)能夠使控制系統(tǒng)在模型和參數(shù)變化時(shí)保持良好的控制性能性能。因此，將各種魯棒控制技術(shù)運(yùn)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，可以大大提高調(diào)速系統(tǒng)的性能。在這方面，運(yùn)用的較為成功的控制技術(shù)主要有：自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識(shí)技術(shù)等。
自適應(yīng)控制技術(shù)能夠改善控制對(duì)象和運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)控制系統(tǒng)的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)控制技術(shù)能夠使調(diào)速系統(tǒng)在電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)保持良好的性能。滑模變結(jié)構(gòu)控制由于其特殊的“切換”控制方式與電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中逆變器的“開(kāi)關(guān)”模式相似，并且具有良好的魯棒控制特性，因此，在電機(jī)控制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
通過(guò)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化進(jìn)行在線辨識(shí)，并運(yùn)用辨識(shí)的參數(shù)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，也能夠提高控制系統(tǒng)的魯棒性。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能控制已成為現(xiàn)代控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中運(yùn)用智能控制技術(shù)也已成為目前電氣傳動(dòng)控制的主要發(fā)展方向，并且將帶來(lái)電氣傳動(dòng)技術(shù)的新紀(jì)元。目前，實(shí)現(xiàn)智能控制的有效途徑有三條：基于人工智能的專(zhuān)家系統(tǒng)（ExpertSystem）;基于模糊集合理論（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork）的神經(jīng)控制。B.K.Bose等人從八十年代后期一直致力于人工智能技術(shù)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了可喜的研究成果。
永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)
在永磁同步電機(jī)控制當(dāng)中，需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度。需要在轉(zhuǎn)子軸上安裝機(jī)械式傳感器，測(cè)量電機(jī)的速度和位置。這些機(jī)械傳感器經(jīng)常是編碼器（Encoder）、解算器（Resolver）和測(cè)速發(fā)電機(jī)（Tachometer）。機(jī)械傳感器提供了電機(jī)控制所需的轉(zhuǎn)子信號(hào)，但也給調(diào)速系統(tǒng)帶來(lái)了一些問(wèn)題：
1）機(jī)械傳感器增加了電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，加大了電機(jī)空間尺寸和體積。
2）機(jī)械傳感器的使用增加了電機(jī)與控制系統(tǒng)之間的連接線和接口電路，使系統(tǒng)易受干擾，降低了可靠性。
3）受機(jī)械傳感器使用條件如溫度、濕度和振動(dòng)的限制，調(diào)速系統(tǒng)不能廣泛適應(yīng)各種場(chǎng)合。
