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永磁同步电动机设计关键技术

摘要：与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机结构更加简单、运行可靠

性更强、机体的尺寸体积更小、产品质量更轻、损耗小、机械效率更高。同时，

电机的形状和尺寸也可以灵活多变，适应于各种安装场所。因此，永磁同步电动

机凭借上述性能优势，作为近十几年内的新型电机已经在电梯驱动领域得到了广

泛应用。

关键词：永磁同步电动机;恒压比;矢量控制

1永磁同步电动机控制方法简述

永磁同步电动机控制方法主要采用变频调速方法。电动机的变频调速系统主

要控制形式分为开环控制和闭环控制。比较2种控制方式，因永磁同步电动机在

开环控制方式下无法将电机转子位置信号和电机运行的实际速度信号作为实时反

馈信号，易出现电机运行失步和突然停车等问题，从而造成永磁同步电动机退磁

故障，所以开环控制的变频调速系统并不适用于永磁同步电动机。

为精确得到电机的转子位置信息和电机运行速度信息，实现永磁同步电动机

的闭环控制，目前主要采用的方法是在电机的转轴上安装高精度的传感器。其中，

电梯行业常见的传感器主要为光电编码器来检测电机的转子位置信息和电机转速。

DTC控制方法是继矢量控制方法之后发展起来的又一种高动态性能的交流电动机

变压变频调速方法。永磁同步电动机的DTC控制方法是基于异步电动机DCT控制

基础之上，逐步推广到弱磁控制和同步电动机控制中的。直接转矩控制与矢量控

制技术相比，不需要旋转坐标系变换，也不需要对定子电流的磁场分量和转矩分

量进行闭环控制，同时也不需要脉宽调制单元，但该控制技术稳态转矩脉动较大，

暂时不适用于电梯转矩平稳度要求较高的电梯主机控制领域，但若突破这一难题

后，DTC控制技术将是电梯领域永磁同步主机控制技术的未来发展方向。

2永磁同步电动机矢量控制方法

基于上述对永磁同步电动机控制方法的简述，本文对常用的矢量控制方法进

一步研究。目前，永磁同步电动机矢量控制系统主要采用的控制系统结构利用转

速外环中的速度自动调节器(ASR)提供iq需要的指令值，同时根据电动机的弱磁

程度提供id需要的指令值。最简单的控制方案则是当电动机在基频以下恒转矩

区运行时，将id的指令值设定为0。而在恒功率区运行时，此时需要进行弱磁调

速，则令id小于0，起到去磁作用。但对于电梯驱动主机这类常规的正弦波永磁

同步电动机很少运行在弱磁区，因此可忽略不计。

利用MATLAB/Simpowersystems中的永磁同步电动机矢量控制示例，建立上

述永磁同步电动机矢量控制模型，可通过仿真获得永磁同步电动机矢量控制系统

仿真结果，并在恒转速期间加入突变外加转矩，观察电磁转矩、电流及转速的波

动情况，在永磁同步电动机矢量控制系统下，面对转矩突变情况时该系统能够很

好地解决转速波动问题，电机的电磁转矩和对应的电流值的相应变化也没有很高

的延迟，控制性能优越。

3永磁同步电动机无感控制方法前瞻

在实际应用过程中，永磁同步电动机的闭环控制系统为精确得到电机的转子

位置信息和电机运行速度信息，主要采用在电机的转子轴上安装高精度的传感器。

电梯行业中常采用的传感器主要为光电编码器来检测电机的转子位置信息和电机

转速。由于加装的高精度传感器价格昂贵，甚至部分特殊要求的高精度传感器价

格超过了电动机的价格。并且加装传感器，需要增设传感器与转子轴的机械连接

机构，增加传感器与控制器之间的通讯连线。但为获得传感器精确的信号，必须

严格保证传感器与转子轴机械结构的安装精度和通讯连线传输信号的有效干扰屏

蔽。因此，这些特殊要求都增加了电机的体积和生产成本。再有，传感器受外界

温度、湿度、振动等的影响也会造成控制器控制精度的下降。为解决上述问题，

提高电梯乘坐安全，降低电梯故障率，降低电梯的生产成本，拓宽电动机适用场

合，优化电梯动力系统，无位置传感器的永磁同步电动机控制技术已经成为未来

电梯主机调速控制领域前沿技术之一。

所谓无位置传感器控制技术，主要利用采集电动机绕组的电压、电流信号，

并利用适当的算法求解估算出转子的速度信息和位置信息，从而达到取代外置传

感器实现电动机闭环控制的目的。通过近些年国内外众多学者的研究，提出的无

感控制技术的估算方法有：

1)利用定子端电压和电流直接计算转子的速度和位置。该方法计算转子位置

信息和转子转速需要的数据均可通过测量获得，因此数据采样相对简单。同时，

该方法计算过程少，计算过程直接，相比其他估算方法不需要复杂的收敛控制算

法，并且动态响应的速度也相对较快。但该