0 引言

　　近年來隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，特別是稀土永磁材料，磁性復(fù)合材料的出現(xiàn)，加之我國擁有世界上最大的高能量密度永磁材料(釹—鐵—硼)的儲(chǔ)量，使得永磁電機(jī)活躍在各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中。永磁同步電機(jī)（PMSM）是近幾年發(fā)展起來的一種新型的電機(jī)，具有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、效率高、功率密度大、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，因此十分適合應(yīng)用于高性能伺服系統(tǒng)中，例如在數(shù)控機(jī)床等場合，永磁同步電動(dòng)機(jī)正在逐步取代直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。同時(shí)由于永磁同步電機(jī)無需激磁繞組，明顯地減小了體積，減輕了重量，降低了損耗，避免了電機(jī)發(fā)熱，從而提高了效率和功率因數(shù)，具有明顯的節(jié)能效果。

　　尤其在現(xiàn)代的PMSM 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，它比異步電動(dòng)機(jī)更便于實(shí)現(xiàn)磁場定向控制，可以獲得與直流電動(dòng)機(jī)一樣優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，使控制系統(tǒng)具有十分優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)特性。

1 永磁同步電機(jī)的種類和基本結(jié)構(gòu)

　　就轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)看，永磁同步電機(jī)分凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式三種基本形式，如圖1 所示，前兩種又統(tǒng)稱為外裝式結(jié)構(gòu)。凸裝式直軸磁阻與交軸磁阻相等，因此交、直軸電感相等，即Ld=Lq，表現(xiàn)為隱極性質(zhì)；另外兩種結(jié)構(gòu)，直軸磁阻大于交軸磁阻，因此Ld<Lq，表現(xiàn)為凸極電機(jī)的性質(zhì)。值得注意的是，通過改變除凸裝式以外結(jié)構(gòu)的永磁體磁化方向長度、極弧系數(shù)等結(jié)構(gòu)尺寸，可以得到較大的直交軸電感比，從而提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出及弱磁擴(kuò)速能力。

　　凸裝式結(jié)構(gòu)簡單便宜，應(yīng)用較多。這種結(jié)構(gòu)中電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑變得較小，從而導(dǎo)致電機(jī)的小慣量，故適用于伺服系統(tǒng)。然而在PMSM中小電感不總是有利，因?yàn)樾‰姼袑?dǎo)致弱磁控制。在弱磁控制期間雖然電壓已經(jīng)達(dá)到逆變器所能提供的最大值，但速度依然需要不斷上升。弱磁控制是通過增加反相直軸定子電流分量實(shí)現(xiàn)的，若電感很小，就只能通過很大的去磁電流和低負(fù)載實(shí)現(xiàn)弱磁。

　　嵌入式結(jié)構(gòu)可增大漏磁鏈，因增大的交軸電感使電樞的反應(yīng)增大，致使極角增大和轉(zhuǎn)矩降低。

　　內(nèi)埋式電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、昂貴，但它具有高氣隙磁通密度，因此它產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩比凸裝式電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大，且氣隙磁通易于正弦分布，從而降低齒槽轉(zhuǎn)矩效應(yīng)。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

　　與傳統(tǒng)異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有以下特點(diǎn)。

　　1）高效率、高功率因數(shù)、節(jié)能用永磁體代替電勵(lì)磁，不需要無功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)。定、轉(zhuǎn)子同步，轉(zhuǎn)子鐵心沒有鐵耗，PMSM 的效率較電勵(lì)磁同步電機(jī)和異步電機(jī)要高。而且，PMSM 在25%耀120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可以保持較高的功率因數(shù)和效率，使電機(jī)在輕載運(yùn)行時(shí)的節(jié)能效果更為顯著，這樣，在長期的使用中可以大幅度地節(jié)省電能。

　　2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)PMSM 與異步電動(dòng)機(jī)相比，具有較低的慣性，對于一定的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩具有較快的響應(yīng)，即轉(zhuǎn)矩/慣性比高。

　　3）體積小、重量輕隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，PMSM 的功率密度大大提高，與同容量異步電機(jī)相比，其體積和重量有較大的減少。

　　4）應(yīng)用范圍廣、可靠性高在醫(yī)療器械、化工、輕紡、儀器儀表等領(lǐng)域均獲得應(yīng)用。與直流電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)沒有電刷，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

3 永磁同步電動(dòng)機(jī)控制策略

　　永磁同步電機(jī)的調(diào)速主要通過改變供電電源的頻率來實(shí)現(xiàn)。目前常用的變頻調(diào)速方式有轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制（v/f）、轉(zhuǎn)差頻率控制、基于磁場定向的矢量控制（Vector Control）以及直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control）。

　　3.1 轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制

　　轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制是一種最常用的變頻調(diào)速控制方法。該方法是通過控制V/f恒定，使磁通保持不變，并以控制轉(zhuǎn)差頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。這種控制方法低速帶載能力不強(qiáng)，須對定子壓降實(shí)行補(bǔ)償，因該控制方法只控制了電機(jī)的氣隙磁通，不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，故性能不高。但該方法由于實(shí)現(xiàn)簡單、穩(wěn)定可靠，調(diào)速方便，所以在一些對動(dòng)態(tài)性能要求不太高的場合，如對通風(fēng)機(jī)、水泵等的控制，仍是首選的方法。

　　3.2 轉(zhuǎn)差頻率控制

　　轉(zhuǎn)差頻率控制的突出優(yōu)點(diǎn)就在于頻率控制環(huán)節(jié)的輸入是轉(zhuǎn)差信號，而頻率信號是由轉(zhuǎn)差信號與實(shí)際轉(zhuǎn)速信號相加后得到的，這樣，在轉(zhuǎn)速變化過程中，實(shí)際頻率隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速同步地上升或者下降。盡管轉(zhuǎn)差頻率控制能夠在一定程度上控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，但它依據(jù)的只是穩(wěn)態(tài)模型，并不能真正控制動(dòng)態(tài)過程中的轉(zhuǎn)矩，從而得不到很理想的動(dòng)態(tài)控制性能。

　　3.3 矢量控制

　　矢量控制框圖如圖2 所示。

　　1971 年，西門子工程師Balschke 首次提出矢量控制理論，使交流電機(jī)控制理論獲得了一次質(zhì)的飛躍。其基本思想為：以轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)空間矢量為參考坐標(biāo)，將定子電流分解為相互正交的兩個(gè)分量，一個(gè)與磁鏈同方向，代表定子電流勵(lì)磁分量，另一個(gè)與磁鏈方向正交，代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量，分別對它們進(jìn)行控制，獲得像直流電動(dòng)機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)特性。因其控制結(jié)構(gòu)簡單，控制軟件實(shí)現(xiàn)較容易，已被廣泛應(yīng)用到調(diào)速系統(tǒng)中。但矢量控制方法在實(shí)現(xiàn)時(shí)要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，并需準(zhǔn)確觀測轉(zhuǎn)子磁鏈，而且對電機(jī)的參數(shù)依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。

　　采用矢量控制理論進(jìn)行控制時(shí)，具有和直流電動(dòng)機(jī)類似的特性。矢量控制的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能較好。不足之處是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向會(huì)受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響而失真，從而降低了系統(tǒng)的調(diào)速性能。解決方法是采用智能化調(diào)節(jié)器可以提高系統(tǒng)的調(diào)速性能和魯棒性。

　　文獻(xiàn)[20]和文獻(xiàn)[21]采用PI 控制，文獻(xiàn)[20]中電流環(huán)、速度環(huán)均采用PI 調(diào)節(jié)，由仿真結(jié)果得出:PI 控制器的參數(shù)對系統(tǒng)的性能有極大的影響，永磁同步電機(jī)是一個(gè)具有強(qiáng)耦合的非線性對象，很難用精確的數(shù)學(xué)模型描述，而PI 控制器是一種線性控制器，魯棒性不夠強(qiáng)，所以，在調(diào)速系統(tǒng)中難以達(dá)到令人滿意的調(diào)速性能，尤其是在對系統(tǒng)性能和控制精度要求較高的場合，這就需要對PI 算法進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到更好的控制性能。文獻(xiàn)[21]通過多次仿真，在速度調(diào)節(jié)中只單純采用PI 調(diào)節(jié)效果并不理想，為此，提出了采用分段PI 速度調(diào)節(jié)的方法，即根據(jù)誤差量的大小分段確定參數(shù)Kp，Ki。在初期，可加大比例調(diào)節(jié)成分，隨著誤差減小適當(dāng)加大積分系數(shù)，這樣系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的調(diào)速及其正反轉(zhuǎn)控制。

　　文獻(xiàn)[1]對PMSM的電壓空間矢量的弱磁控制方面所做的研究，提出一種基于空間矢量PWM（SVPWM）的PMSM 定子磁鏈弱磁控制方法，在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到基本轉(zhuǎn)速之前采用最大轉(zhuǎn)矩/電流策略控制，超過基本轉(zhuǎn)速之后采用弱磁擴(kuò)速的電流控制策略，使電機(jī)具有更大的調(diào)速空間，該策略可實(shí)現(xiàn)電壓矢量近似連續(xù)調(diào)節(jié)，同傳統(tǒng)的有限的離散空間矢量相比，有效減小了PMSM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了系統(tǒng)的性能。

　　3.4 直接轉(zhuǎn)矩控制

　　直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）框圖如圖3 所示。

　　1985 年，Depenbrock 教授提出的高性能交流電機(jī)控制策略，摒棄了矢量控制的解耦思想，不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作等效與轉(zhuǎn)化，省去了復(fù)雜的坐標(biāo)變換；采用定子磁場定向，實(shí)現(xiàn)了在定子坐標(biāo)系內(nèi)對電動(dòng)機(jī)磁鏈、轉(zhuǎn)矩的直接觀察、控制，定子磁鏈的估計(jì)僅涉及定子電阻，減弱了對電機(jī)參數(shù)的依賴性，很大程度上克服了矢量控制的缺點(diǎn)。且控制簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)性能好。開始時(shí)是使用于異步電機(jī)控制中，后來逐步引用于同步電機(jī)中。1997 年，L.zhong，M.F.Rahman 和Y.W.Hu 等人把直接轉(zhuǎn)矩控制與永磁同步電機(jī)結(jié)合起來，提出了基于永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制理論，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方案，并且成功地拓展到了弱磁恒功率范圍，取得了一系列成果。

　　直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制后發(fā)展起來的，最早應(yīng)用在感應(yīng)電機(jī)中，隨后應(yīng)用到永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中。永磁同步電動(dòng)機(jī)不能像異步電機(jī)那樣用零電壓矢量降低轉(zhuǎn)矩，而采用反向電壓減小轉(zhuǎn)矩，這樣會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。文獻(xiàn)[2]分析了零電壓矢量在異步電機(jī)和同步電機(jī)中的不同作用，構(gòu)造了一種應(yīng)用零電壓矢量來減小轉(zhuǎn)矩的新型電壓矢量開關(guān)表，如表1 所列，可以改善轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[11]也構(gòu)造了一種新型的含零電壓矢量的控制開關(guān)表，改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)。并通過仿真結(jié)果表明，正確地使用零電壓矢量能夠有效減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善系統(tǒng)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)能以較大的轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，并且含零電壓矢量的系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性較好，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比較小，并且在擾動(dòng)后能在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定。

　　傳統(tǒng)DTC 采用的是按一定規(guī)則從預(yù)制的開關(guān)表中選取近似合適的電壓空間矢量對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行控制，由于所選的空間電壓矢量有限，不同程度地導(dǎo)致DTC 系統(tǒng)出現(xiàn)較大的磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[3]介紹分析了SVM（空間矢量調(diào)制）是在一個(gè)控制周期內(nèi)，通過相鄰基本電壓矢量和零矢量合成，得到所需的任意電壓矢量，實(shí)現(xiàn)電壓矢量的線性連續(xù)可調(diào)。SVM DTC 控制可在不改變系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的條件下，獲得更多的連續(xù)變化的電壓空間矢量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩更精確的控制，從而降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

　　在改進(jìn)PMSM 控制方法和性能上，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]提出了新的方法，文獻(xiàn)[4]在矢量控制策略基礎(chǔ)上提出了一種高精度混合控制方法，綜合利用自控方式與他控方式各自的優(yōu)點(diǎn)，在動(dòng)態(tài)情況下，采用自控方式對控制系統(tǒng)輸出電壓進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力以及增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，當(dāng)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)切換到他控方式，從而提高電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，減小轉(zhuǎn)速波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，兼顧調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，取得了更好的控制效果。文獻(xiàn)[4]還對目前永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法進(jìn)行了分析與對比研究，給出基于漸變電壓矢量法的轉(zhuǎn)子初始位置檢測簡單有效的檢測方法，主要是因?yàn)楫?dāng)給定電壓矢量接近永磁體轉(zhuǎn)子軸線時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)方向判斷失誤的情況?？梢圆捎帽頉Q機(jī)制，多次測量后確定檢測結(jié)果，以保證結(jié)果的正確性和更高的檢測精度。并將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與傳統(tǒng)的PID控制器結(jié)合，使系統(tǒng)有更好的動(dòng)、靜態(tài)特性。

　　文獻(xiàn)[5]從開關(guān)頻率優(yōu)化和電壓空間矢量合理選擇兩個(gè)方面提出了一種新的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方法，即通過逆變器開關(guān)頻率PI 調(diào)節(jié)得到轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度值。這樣在充分利用功率器件開關(guān)頻率的同時(shí)不僅克服了圓形磁鏈軌跡對功率器件高開關(guān)頻率要求的缺陷，而且克服了在轉(zhuǎn)速變化過程中采用固定滯環(huán)寬度值帶來的功率器件開關(guān)頻率波動(dòng)范圍大及由此造成低速轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)性能下降的缺陷。

　　文獻(xiàn)[12]對永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中磁鏈觀測這一關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種新型磁鏈觀測器&mdash;&mdash;&mdash;非線性正交反饋補(bǔ)償磁鏈觀測器。磁鏈觀測是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中關(guān)鍵部分，直接關(guān)系到電機(jī)的運(yùn)行性能和直接轉(zhuǎn)矩控制方案效果，適合永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用的新型非線性正交反饋補(bǔ)償磁鏈觀測器算法可以用式（1）表示。

　　通過仿真，采用的基于非線性正交反饋補(bǔ)償?shù)拇沛溣^測器不僅能在高速下準(zhǔn)確觀測磁鏈，而且能有效地解決傳統(tǒng)電壓積分方法在低速時(shí)的不足和弊端，從而驗(yàn)證了基于非線性正交反饋補(bǔ)償?shù)拇沛溣^測器在理論上的可行性。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行平穩(wěn)，電流正弦，磁鏈能夠運(yùn)行在圓形軌跡上。

　　3.5 基于無傳感器控制

　　通常，高性能的調(diào)速系統(tǒng)離不開閉環(huán)控制，但速度傳感器的安裝帶來了系統(tǒng)成本增加、體積增大、可靠性降低等問題。因此無速度傳感器控制技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，其核心是如何準(zhǔn)確獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息。

　　文獻(xiàn)[14]指出，代表性的方案有：瞬時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)法，PI 控制器法，模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)法，擴(kuò)展卡曼濾波法，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。

　　文獻(xiàn)[6]提出了在無位置傳感器的條件下檢測轉(zhuǎn)子初始位置的方法，適用于凸極和隱極同步電動(dòng)機(jī)，受電動(dòng)機(jī)參數(shù)影響比較小，在靜止、低速、高速范圍內(nèi)均可以估計(jì)出轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置，通過向電動(dòng)機(jī)的定子繞組施加高頻檢測電壓，利用空間凸極效應(yīng)即可確定轉(zhuǎn)子的初始位置。

　　文獻(xiàn)[15]指出，早先的無傳感器控制方法主要集中在高速條件下，有：磁鏈位置估算法，特點(diǎn)是簡單而易于實(shí)現(xiàn)，但算法性能取決于電壓、電流的測量精度及電機(jī)參數(shù)準(zhǔn)確性；擴(kuò)展卡曼濾波法，可以直接獲得定子磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子位置的估計(jì)值，能很好地抑制測量和擾動(dòng)噪聲，但算法對電機(jī)參數(shù)有較強(qiáng)的依賴性，同時(shí)卡爾曼增益也很難確定。

　　文獻(xiàn)[15]針對表貼式永磁同步電動(dòng)機(jī)，在任意同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上利用電機(jī)穩(wěn)態(tài)操作的結(jié)果估計(jì)反電動(dòng)勢，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估計(jì)，采用的反電動(dòng)勢常數(shù)補(bǔ)償算法，系統(tǒng)對反電勢參數(shù)的變化相當(dāng)穩(wěn)健。該方法的位置和速度估計(jì)精度高，速度控制范圍寬。

　　文獻(xiàn)[13]介紹了針對內(nèi)嵌式永磁同步電動(dòng)機(jī)的凸極原理，并且基于這個(gè)原理介紹了一種根據(jù)輸入電壓檢測電流大小的方法，實(shí)現(xiàn)簡便，且沒有依賴電機(jī)參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型或要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算等缺點(diǎn)。僅需要在原有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上增加一套針對初始磁極位置檢測的程序即可。整個(gè)程序分為三個(gè)部分：第一部分是測量并比較0毅和180毅電角度的電壓矢量，并選擇一個(gè)大的電壓矢量作為起始的角度；第二部分將整個(gè)電氣360毅周期分為12 個(gè)區(qū)域，每30毅一格，從0毅或者180毅開始，測量給定電壓矢量的電流，在保證測到最大電流時(shí)，減少測量的步數(shù)，使得測量的時(shí)間也盡可能的縮短；第三步則是進(jìn)一步細(xì)分角度，利用二分法來精確的檢測磁極位置的角度。這種方法實(shí)現(xiàn)起來簡便，無須預(yù)知電機(jī)的參數(shù)，無須增加硬件設(shè)備，僅須在每次啟動(dòng)電機(jī)時(shí)導(dǎo)入相應(yīng)程序即可。

4 永磁同步電機(jī)未來研究熱點(diǎn)

　　1）在材料技術(shù)方面，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，使永磁同步電機(jī)體積能夠再減小。

　　2）在電機(jī)控制方面，研究如何進(jìn)一步提高無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制性能。

　　3）有無速度傳感器控制的速度辨識(shí)的研究、矢量控制的魯棒性研究，直接轉(zhuǎn)矩中電壓矢量選擇智能化的研究。

　　4）永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題，研究哪些因素對穩(wěn)定性有影響。

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