高性能交流永磁同步電機伺服系統現狀

永磁同步電機國內外研究現狀
　　早期對永磁同步電機的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機運行特性的研究，特別是穩態(tài)特性和直接起動(dòng)性能的研究。永磁同步電動(dòng)機的直接起動(dòng)是依靠阻尼繞組提供的異步轉矩將電機加速到接近同步轉速，然后由磁阻轉矩和同步轉矩將電機牽入同步。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)世紀八十年代國外開(kāi)始對逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機進(jìn)行深入的研究。逆變器供電的永磁同步電機與直接起動(dòng)的永磁同步電機的結構基本相同，但在大多數情況下無(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，阻尼繞組增大轉動(dòng)慣量、使電機力矩慣量比下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機脈動(dòng)力矩增大。在逆變器供電情況下，永磁同步電機的原有特性將會(huì )受到影響，其穩態(tài)特性和暫態(tài)特性與恒定頻率下的永磁同步電機相比有不同

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)機的數學(xué)模型、穩態(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)機穩態(tài)特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機穩態(tài)特性。
　　隨著(zhù)對永磁同步電機調速系統性能要求的不斷提高，需要設計出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機，G.R.Slemon等人針對調速系統快速動(dòng)態(tài)性能和高效率的要求，提出了現代永磁同步電機的設計方法。隨著(zhù)微型計算機技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機矢量控制系統的全數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)機矢量控制系統，采用了十六位單片機8097作為控制計算機，實(shí)現了高精度、高動(dòng)態(tài)響應的全數字控制。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)機矢量控制系統全數字控制的論文。
　　永磁同步電動(dòng)機矢量控制系統轉速控制器大多采用比例積分（PI）控制。PI控制器具有結構簡(jiǎn)單，性能良好，對被控制對象參數變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。一九九一年，R.B.Sepe首次在轉速控制器中采用自校正控制。早期自適應控制主要應用于直流電機調速系統。國立臺灣大學(xué)劉天華等首次將魯棒控制理論應用于永磁同步電動(dòng)機伺服驅動(dòng)。電機在運行過(guò)程中，模型和參數是不斷變化的，參數和模型的變化將引起控制系統性能的降低?，F代控制理論中的各種魯棒控制技術(shù)能夠使控制系統在模型和參數變化時(shí)保持良好的控制性能性能。因此，將各種魯棒控制技術(shù)運用于電機調速領(lǐng)域，可以大大提高調速系統的性能。在這方面，運用的較為成功的控制技術(shù)主要有：自適應控制、變結構控制、參數辨識技術(shù)等。
　　自適應控制技術(shù)能夠改善控制對象和運行條件發(fā)生變化時(shí)控制系統的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人將自適應控制技術(shù)應用于永磁同步電機調速系統。仿真和實(shí)驗結果表明，自適應控制技術(shù)能夠使調速系統在電機參數發(fā)生變化時(shí)保持良好的性能?；Ｗ兘Y構控制由于其特殊的“切換”控制方式與電機調速系統中逆變器的“開(kāi)關(guān)”模式相似，并且具有良好的魯棒控制特性，因此，在電機控制領(lǐng)域有廣闊的應用前景。
　　通過(guò)對電機參數變化進(jìn)行在線(xiàn)辨識，并運用辨識的參數對調速系統進(jìn)行控制，也能夠提高控制系統的魯棒性。隨著(zhù)人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能控制已成為現代控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，電氣傳動(dòng)控制系統中運用智能控制技術(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)的新紀元。目前，實(shí)現智能控制的有效途徑有三條：基于人工智能的專(zhuān)家系統（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)域的應用，并取得了可喜的研究成果。
　　永磁同步電機無(wú)速度傳感器控制系統
　　在永磁同步電機控制當中，需要檢測轉子的位置和速度。需要在轉子軸上安裝機械式傳感器，測量電機的速度和位置。這些機械傳感器經(jīng)常是編碼器（Encoder）、解算器（Resolver）和測速發(fā)電機（Tachometer）。機械傳感器提供了電機控制所需的轉子信號，但也給調速系統帶來(lái)了一些問(wèn)題：
　　1）機械傳感器增加了電機轉子軸上的轉動(dòng)慣量，加大了電機空間尺寸和體積。
　　2）機械傳感器的使用增加了電機與控制系統之間的連接線(xiàn)和接口電路，使系統易受干擾，降低了可靠性。
　　3）受機械傳感器使用條件如溫度、濕度和振動(dòng)的限制，調速系統不能廣泛適應各種場(chǎng)合。