变频技术在永磁同步电动机系统中的应用和发展
一、 永磁同步电动机(PMSM)系统发展的原因
近年来，PMSM系统发展迅猛，究其原因是：
1. 节省能源最有效的电动机
电动机几乎消耗了许多国家工业用电的2/3，出于节能和环保考虑，包括我国在内的世界上许多国家对电动机系统的节能均给予了高度重视。PMSM无需从电网吸取无功电流建立气隙磁场，无激磁损耗，从而显著提高了效率和功率因数，比异步电动机具有更显著的综合节能效果，是今后最有发展前途的电动机。
2. 可方便地实现群控
PMSM的转子转速与定子旋转磁场的转速是同步的，电压源型变频器可以为多台电动机同时供电。随着变频器输出频率的改变，多台电动机可严格同步，实现群控。
3. 结构简单、体积紧凑、无炭刷、无需维护、可靠性高
PMSM没有激磁绕组，不需集电环和炭刷，变频器方便地解决了同步电动机的自起动，从而省去了传统异步起动时转子上的阻尼绕组。高性能的钕铁硼永磁材料产生的主磁场等使PMSM结构简单、紧凑，无须维护，可靠性高。特别适合制成高密度电动机，应用于汽车以及在喷漆机器人等恶劣环境下工作。
4. 运动控制系统需要全数字化、智能化的PMSM
因为生产自动化和高质量生活的要求，使电动机控制系统从以往仅需速度调节发展到定位控制和运动轨迹的控制，即需要伺服系统具有快速响应、平稳、精确和可靠等性能，而PMSM系统能全面满足以上要求。
5. 符合新技术发展趋势
PMSM系统满足了从机械传动到电气传动，电气传动又从直流到交流发展趋势的要求。20世纪90年代诞生的船用电力推进器就是这一趋势的代表，它为船舶推进技术带来了新路。
二 PMSM伺服系统的基本环节
自上世纪80年代以来，随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术的发展，交流伺服系统取得了突破性进展。以下介绍当前发展最活跃的PMSM伺服系统的基本环节。
该系统(如图1)主要包括电动机、功率驱动单元、位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元、电流反馈单元和通信接口等。
1. 电动机
最典型的为PMSM。PMSM定子多采用三相正弦交流电驱动，转子则采用多对极的永磁转子。高性能的PMSM的定子则由快速电流跟踪的电压型变频器供电，以尽可能减小谐波转矩。为了减小低速时转矩波动，还采用分数槽绕组、斜槽、大气隙、小槽口等措施以减小定位转矩或齿槽转矩。为获得与直流电动机一样优良的线性转矩特性，常对PMSM实施矢量变换控制；实现磁场定向控制，所以对变频器有特殊要求。
2. 功率驱动单元
功率驱动单元采用交—直—交电压源型的变频器。整流部分采用三相不可控全桥整流，逆变部分则采用快速电流跟踪的PWM调制，也有采用SVPWM调制的。变频器能对PMSM实施矢量变换控制，对恒转矩控制，一般令直轴电流 Id=0，以上功能需用专门变频器实现。为避免电动机制动时产生高的泵升电压，须具有能耗泄放电路。近年来为防止对电网的谐波污染以及实施电动机的四象限运行，出现了双PWM调制的变频器。逆变器部分常用集成电路、保护电路和功率开关于一体的智能功率模块(IPM)。
3. 控制单元
数字信号处理器(DSP)作为控制单元实现图1虚线框内位置控制、速度控制、转矩和电流控制等功能。现在市场上的电机控制专用DSP芯片，集成了多种控制电路，并具有快速的数据处理能力。
4. 位置反馈单元
为实时检测转子位置，实现矢量变换控制，必须配备位置反馈单元—位置传感器，一般采用高分辨力的旋转变压器、光电编码器、磁编码器等。目前普遍采用光电编码器，它可直接输出数字信号，且具有惯量小、噪声低、精确度高、成本低的优点。旋转变压器输出两相正交波形，可输出转子的绝对位置，但其解码电路复杂，价格昂贵。磁编码器是依靠磁极的变化来检测位置的，目前尚处于研究阶段，且分辨率较低。
尽管目前已有上述诸多类型位置传感器可供伺服系统选用，但国内外仍然有很多人开展用于PMSM伺服系统的无机械位置传感器的研究，其原因是：
(1)机械传感器增加了电机旋转轴的转动惯量，加大了电机尺寸和体积，而电机与控制系统之间的连接线和接口电路，导致系统易受干扰，使可靠性降低。
(2)机械传感器对使用条件如温度、湿度和振动有一定要求，限制了使用场合。
(3)机械传感器及其辅助电路使调速系统成本增加。
不用机械传感器的系统，为获得转子的位置及速度信息，需利用PMSM定子绕组中的有关电信号，通过适当方法估算出转子的位置和速度，从而取代机械传感器实现电机系统的控制。
三 PMSM系统的典型应用
例如采用PMSM的平缝机，即为全数字化的永磁同步伺服系统应用在高性能机械设备中的一例。PMSM体积小、重量轻，可以置入缝纫机车头内，采用PMSM的缝纫机，停车准确、调速范围广，使缝纫机多功能化，效率提高。
在以上三种应用中，伺服系统均采用了矢量控制技术，使PMSM获得与直流电机一样优良的线性转矩控制特性，无论在电动机的低速运行区或高速运行区，其起动、制动性能、稳态性能和抗干扰特性均达到甚至超过直流伺服系统。在高精度系统中，其调速范围已近100000∶1，在通用系统中，调速范围可达5000∶1至10000∶1。可以说，矢量控制技术经30多年的研究完善，已经形成完整的控制理论和方法，并在生产实践中得到广泛应用。
