包西平

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221140）

數(shù)控機(jī)床永磁伺服電機(jī)繞組串并聯(lián)換接性能實(shí)驗(yàn)研究

包西平

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221140）

為提高數(shù)控機(jī)床永磁同步電機(jī)調(diào)速比，提出了繞組串并聯(lián)換接的方案。闡述了繞組串并聯(lián)換接的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)串并聯(lián)換接造成電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行性能的變化進(jìn)行了理論分析。搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)繞組串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)換接電機(jī)在電流、電壓、轉(zhuǎn)矩等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析。通過實(shí)驗(yàn)可知，在工藝條件許可的情況下繞組串并聯(lián)換接是擴(kuò)展運(yùn)行范圍的有效方法之一。

永磁同步電機(jī)；繞組串并聯(lián)換接；切換點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)

0 引言

數(shù)控機(jī)床高性能永磁同步伺服電機(jī)(High Per?formance PMSM)因能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度、高穩(wěn)定度、快速響應(yīng)、高效節(jié)能的運(yùn)動(dòng)控制而在數(shù)控伺服傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)控機(jī)床中永磁同步伺服電機(jī)的運(yùn)行工況卻非常復(fù)雜，既有可能在低速區(qū)域運(yùn)行，也有可能在高速區(qū)域運(yùn)行。伺服電機(jī)在低速區(qū)域運(yùn)行對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)非常敏感，降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、提高運(yùn)行的平穩(wěn)性是低速運(yùn)行的基本要求。而對(duì)于伺服電機(jī)高速運(yùn)行，如何提高永磁同步伺服電機(jī)高速運(yùn)行的輸出轉(zhuǎn)矩，是高速運(yùn)行的重要要求。

采用合適的電流控制方法[1-3]，也可以在一定程度上提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，但其性能的提高，特別是高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩輸出能力的提高受電機(jī)凸極率及弱磁率的限制，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)未經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)其“弱磁擴(kuò)速”效果是非常有限的。

隨著新型電流控制算法的涌現(xiàn)、新材料的應(yīng)用以及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，永磁同步伺服電機(jī)控制性能可得到進(jìn)一步的提高。但如何在當(dāng)前技術(shù)條件下，將永磁同步伺服電機(jī)調(diào)速比大幅度提高，特別是提高高速運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，滿足高精度數(shù)控機(jī)床高性能永磁同步伺服系統(tǒng)的要求，是更加迫切的問題[4]。本文提出采用定子繞組換接的方法解決這一難題，只要稍微改進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在現(xiàn)有條件下就可以大幅度提高數(shù)控機(jī)床永磁同步伺服系統(tǒng)的性能。

1 定子繞組串并聯(lián)換接的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)定子繞組的串并聯(lián)換接，須將電機(jī)每相設(shè)計(jì)成兩套完全相同的繞組，低速運(yùn)行時(shí)兩套繞組串連，高速運(yùn)行時(shí)兩套繞組并聯(lián)，如圖1所示。這樣在低速運(yùn)行時(shí)，由于繞組串聯(lián)匝數(shù)多，磁鏈值高，電機(jī)轉(zhuǎn)矩大。在高速運(yùn)行時(shí)，每相繞組匝數(shù)少，磁鏈值低，一方面電機(jī)轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速高，降低了弱磁擴(kuò)速的要求；另一方面還能提高高速區(qū)域的輸出轉(zhuǎn)矩。

圖1 繞組的串并聯(lián)換接

繞組切換的過程包括三個(gè)階段，即電流由最大值降為零的時(shí)間t1、開關(guān)器件的開閉時(shí)間t2及電流由零升為最大值的時(shí)間t3。整個(gè)換接時(shí)間為t1+t2+t3。因此對(duì)某一具體的系統(tǒng)來說，繞組串并聯(lián)換接過程具有確定的時(shí)間長度，所以換接時(shí)無需檢測(cè)繞組電流大小，只需根據(jù)預(yù)定的時(shí)間進(jìn)行切換即可。圖2是繞組具體的連接電路，開關(guān)器件采用IGBT（保護(hù)電路未畫出），串聯(lián)運(yùn)行時(shí)每相的K1、K3斷開，K2閉合；并聯(lián)運(yùn)行時(shí)K1、K3閉合，K2斷開。并聯(lián)和串聯(lián)狀態(tài)之間需要加入一個(gè)死區(qū)以避免短路。

圖2 換接電路

永磁同步電機(jī)繞組串并聯(lián)換接運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩特性如圖3中粗實(shí)線OA1FA2D2所示。其中nbs、nbp（分別對(duì)應(yīng)A1和A2）為繞組串聯(lián)、并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速。啟動(dòng)時(shí)，繞組串聯(lián)沿OA1運(yùn)行至A1點(diǎn)（對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)折速度nbs），電機(jī)電壓達(dá)其極限電壓，此時(shí)將繞組換接成并聯(lián)運(yùn)行，沿FA2運(yùn)行至A2點(diǎn)（對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)折速度nbp），此過程仍然為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，至A2點(diǎn)時(shí)電機(jī)電壓又達(dá)極限電壓，如仍需繼續(xù)提高速度，則須進(jìn)行弱磁控制，弱磁控制運(yùn)行時(shí)電機(jī)沿A2D2曲線運(yùn)行。

2 繞組串并聯(lián)換接對(duì)電機(jī)參數(shù)影響分析

電機(jī)繞組的串并聯(lián)換接必然改變電機(jī)的基本參數(shù)，如電阻、電感及磁鏈等參數(shù)，在電機(jī)電壓、電流極限不變的情況下，電機(jī)參數(shù)的變化必然帶來輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速等性能的變化。如果將每相繞組分成兩組，繞組換接前后，兩組間的連接關(guān)系發(fā)生了變化，因此，根據(jù)電工學(xué)原理可以推導(dǎo)出換接前后電機(jī)基本參數(shù)間的關(guān)系如下。

圖3 繞組串并聯(lián)換接運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性

其中下標(biāo)s代表串聯(lián)，p代表并聯(lián)。顯然，定子繞組由串聯(lián)變換為并聯(lián)后，繞組電阻、dq軸電感分別降低至原來的四分之一，磁鏈降低至原來的二分之一。由于繞組并聯(lián)時(shí)電機(jī)運(yùn)行于高速區(qū)域，而電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，電阻壓降和反電動(dòng)勢(shì)相比很小，因此為了簡(jiǎn)單起見，不計(jì)電阻，可得：

其中：

可以看出，在電流不變的條件下，定子繞組由串聯(lián)變換為并聯(lián)后，電磁轉(zhuǎn)矩變小，轉(zhuǎn)折速度變大。其中永磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)樵瓉淼亩种唬抛柁D(zhuǎn)矩變?yōu)樵瓉淼乃姆种?。?duì)于永磁同步伺服電機(jī)，常采用隱極結(jié)構(gòu)，有Ld=Lq的關(guān)系，輸出轉(zhuǎn)矩中只包含永磁轉(zhuǎn)矩，此時(shí)轉(zhuǎn)折速度變大，而轉(zhuǎn)矩降為原來的二分之一。因此可以初步得出以下結(jié)論：永磁同步伺服電機(jī)如果按照定子繞組串聯(lián)運(yùn)行設(shè)計(jì)，確保了中低速運(yùn)行的性能，當(dāng)需要高速運(yùn)行時(shí)，通過外電路切換至并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)將有利于提高轉(zhuǎn)折速度，提高輸出轉(zhuǎn)矩，改善高速運(yùn)行性能。這樣根據(jù)運(yùn)行工況，通過定子繞組串并聯(lián)切換的辦法將有效擴(kuò)展永磁同步電機(jī)運(yùn)行速度范圍，改進(jìn)伺服系統(tǒng)的性能。

3 繞組串并聯(lián)換接的實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證以上研究結(jié)果的正確性，對(duì)繞組串并聯(lián)換接運(yùn)行和繞組串聯(lián)運(yùn)行、繞組并聯(lián)運(yùn)行三種情況進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，為了便于描述起見仍然將三臺(tái)電機(jī)分別稱為m0、m1和m2電機(jī)。

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)主要裝置如圖4、圖5所示，實(shí)際上是一種基于PC的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)[5-6]，由永磁同步伺服電機(jī)（實(shí)驗(yàn)時(shí)m0、m1和m2三臺(tái)分別裝入試驗(yàn)臺(tái)）、編碼器、伺服驅(qū)動(dòng)器、磁粉制動(dòng)器、轉(zhuǎn)矩傳感器、電量變送器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀、電參數(shù)采集儀、計(jì)算機(jī)以及數(shù)據(jù)采集軟件構(gòu)成[6-7]。其中m0電機(jī)為某公司生產(chǎn)的110ST-M02020型永磁同步伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩2.2 N·m，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，極對(duì)數(shù)為4，轉(zhuǎn)子采用面裝式永磁體，永磁體牌號(hào)為N35SH，定子、轉(zhuǎn)子材料均采用DW465_50硅鋼片，定子繞組采用星形連接。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

圖5 試驗(yàn)電機(jī)、力矩傳感器與磁粉制動(dòng)器

圖6 串并聯(lián)變換電路（對(duì)應(yīng)電機(jī)一相繞組）

兩套繞組串并聯(lián)的變換，采用開關(guān)頻率較高的電力電子器件。圖6是實(shí)驗(yàn)電機(jī)一相繞組的電路，SB1、SB2和SB3是三個(gè)IGBT器件（保護(hù)電路未在圖中畫出），串聯(lián)運(yùn)行時(shí)SB1、SB3斷開，SB2閉合；并聯(lián)運(yùn)行時(shí)SB1、SB3同時(shí)閉合，SB2斷開。并聯(lián)和串聯(lián)狀態(tài)之間需要加入一個(gè)死區(qū)時(shí)間，以避免短路發(fā)生。死區(qū)時(shí)間可取大約0.000 1秒，對(duì)應(yīng)于功率器件的開關(guān)頻率為10 kHz。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)工況分為空載實(shí)驗(yàn)和負(fù)載實(shí)驗(yàn)，速度給定值均為6 000 r/min。每一種工況均對(duì)繞組串聯(lián)運(yùn)行、繞組并聯(lián)運(yùn)行和繞組串并聯(lián)換接運(yùn)行三種情況進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩在三種情況下的結(jié)果疊加，在一張圖上顯示出來。

（1）空載實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 串聯(lián)、并聯(lián)與串并聯(lián)切換電機(jī)比較

（2）負(fù)載實(shí)驗(yàn)（負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.8 N·m）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 串聯(lián)、并聯(lián)與串并聯(lián)切換電機(jī)比較

從圖可見，繞組串聯(lián)運(yùn)行最高轉(zhuǎn)速2 158 r/ min，并聯(lián)運(yùn)行最高轉(zhuǎn)速達(dá)4 324 r/min，并聯(lián)運(yùn)行最高轉(zhuǎn)速約為串聯(lián)運(yùn)行最高轉(zhuǎn)速的兩倍左右，但在切換點(diǎn)以前的低速區(qū)，串聯(lián)運(yùn)行轉(zhuǎn)速上升更快，說明其在低速去轉(zhuǎn)矩輸出能力更強(qiáng)。串并聯(lián)切換電機(jī)在低速區(qū)其轉(zhuǎn)速—時(shí)間特性和串聯(lián)運(yùn)行電機(jī)完全一致；轉(zhuǎn)速超過串并聯(lián)切換點(diǎn)后，運(yùn)行的趨勢(shì)基本和并聯(lián)運(yùn)行相平行，但速度上升更快，因而在高速區(qū)串并聯(lián)切換電機(jī)要比單純并聯(lián)運(yùn)行電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的能力強(qiáng)，而其所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速則和繞組并聯(lián)電機(jī)相同。

負(fù)載工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和空載工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，由于存在負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此電機(jī)的加速度減小，加速時(shí)間延長，和空載工況相比，其結(jié)果曲線相當(dāng)于在時(shí)間上向后發(fā)生了平移。

在空載和負(fù)載實(shí)驗(yàn)中輸出轉(zhuǎn)矩在切換點(diǎn)處均發(fā)生了大幅度的跌落，這是由于切換時(shí)電流失控造成的，失控的時(shí)長為開關(guān)管開關(guān)時(shí)間與死區(qū)時(shí)間之和。同時(shí)為了研究電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)切換點(diǎn)的敏感性，切換時(shí)間均滯后了大約10%，但從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，無論是切換時(shí)的電流失控還是切換點(diǎn)的滯后均沒有對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。這主要是因?yàn)橐环矫骐娏魇Э貢r(shí)間和切換滯后時(shí)間均非常短，另一方面電機(jī)轉(zhuǎn)子本身轉(zhuǎn)速很高，且有一定的慣性，因而對(duì)這種短暫、單次的擾動(dòng)并不敏感。

4 結(jié)論

文中論述了永磁同步電機(jī)繞組串并聯(lián)換接的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)串并聯(lián)換接造成電機(jī)參數(shù)的變化、換接前后電機(jī)性能的變化進(jìn)行了理論分析。通過實(shí)物實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：繞組串并聯(lián)換接可以在兼顧低速與高速性能的前提下大幅度擴(kuò)展永磁同步伺服系統(tǒng)的運(yùn)行范圍，換接的時(shí)刻、換接過程對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響并不顯著，在伺服系統(tǒng)工藝條件許可的情況下繞組串并聯(lián)換接是擴(kuò)展其運(yùn)行范圍的有效方法之一。

［1］ P Vaclavek，P Blaha.Interior permanent magnet syn?chro-nous machine field weakening control strategy-the analytical solution［C］.Proceeding of international con?ference on electri-cal machines and systems，2007，Seoul，Korea：440-445.

［2］ 吉智，何鳳有.凸極永磁同步電機(jī)電流控制方法研究［J］.電氣傳動(dòng)，2011（7）：3-7，24.

［3］ 李長紅，陳明俊，吳小役.PMSM調(diào)速系統(tǒng)中最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法的研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（21）：169-174.

［4］ Shigeo Morimoto.Servo drive system and control charac?teristics of salient pole permanent magnet synchronous motor［J］.IEEE Trans.on Industry Appl.，1993，29（2）：338-343.

［5］ 吉智，何鳳有，竇春雨.基于Matlab/Xpc Target的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2009，158（5）：74-77.

［6］王成元，夏加寬，楊俊友，等.電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Performance Study Through Winding Series-Parallel Switching of Permanent Magnet Synchronous Motor

BAO Xi-ping
（Xuzhou Industrial and Vocational Technology Institute，Machinery and Electricity Engineering Institute，Xuzhou221140，China）

In order to greatly improve the speed ratio of permanent magnet synchronous motor of NC machine tool，it was proposed to winding series-parallel exchange scheme in this paper.This paper discussed the realization method of winding series-parallel switching of permanent magnet synchronous motor.It was analyzed that series-parallel switching causes the change of motor parameters and performance in theory.The experimental platform was set up.The experiment and analysis in current，voltage，torque，etc，was realized for windings of series，parallel，series-parallel switching motors.The experiment showed that under the condition of the process permit，the winding series-parallel switching is one of the effective methods to extend the operating range.

permanent magnet synchronous motor；winding series-parallel switching；switching point；experiment

TM351

：A

：1009－9492(2014)10－0059－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.016

包西平，男，1972年生，山東蒙陰人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：電機(jī)、電力電子及電力傳動(dòng)技術(shù)。

(編輯：向 飛)

2014－04－08