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)的儲量，使得永磁電機(jī)活躍在各個工業(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,，永磁同步電動機(jī)正在逐步取代直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。同時由于永磁同步電機(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)動控制系統(tǒng)中，它比異步電動機(jī)更便于實(shí)現(xiàn)磁場定向控制，可以獲得與直流電動機(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,、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
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磁，不需要無功勵磁電流,，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）動態(tài)響應(yīng)快速、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)PMSM 與異步電動機(jī)相比,，具有較低的慣性,，對于一定的電動機(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,。與直流電動機(jī)和電勵磁同步電動機(jī)相比，永磁同步電動機(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，并不能真正控制動態(tài)過程中的轉(zhuǎn)矩,，從而得不到很理想的動態(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分量,，一個與磁鏈同方向,，代表定子電流勵磁分量，另一個與磁鏈方向正交,，代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量,，分別對它們進(jìn)行控制，獲得像直流電動機(jī)一樣良好的動態(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,，具有和直流電動機(jī)類似的特性,。矢量控制的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速范圍寬，動態(tài)性能較好,。不足之處是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向會受電動機(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,，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,，不需要將交流電動機(jī)與直流電動機(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，動態(tài)性能好,。開始時是使用于異步電機(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)用到永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)中。永磁同步電動機(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,，這樣會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩波動。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,，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,，并且含零電壓矢量的系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性較好,，轉(zhuǎn)矩波動比較小，并且在擾動后能在較短的時間內(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,。文獻(xiàn)[3]介紹分析了SVM（空間矢量調(diào)制）是在一個控制周期內(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。
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)速波動和轉(zhuǎn)矩脈動，兼顧調(diào)速系統(tǒng)動態(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,，可能會出現(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,、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———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機(jī),，受電動機(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噪聲,，但算法對電機(jī)參數(shù)有較強(qiáng)的依賴性,，同時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)嵌式永磁同步電動機(jī)的凸極原理,，并且基于這個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。整個程序分為三個部分：第一部分是測量并比較0毅和180毅電角度的電壓矢量,，并選擇一個大的電壓矢量作為起始的角度,；第二部分將整個電氣360毅周期分為12 個區(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,，減少測量的步數(shù),，使得測量的時間也盡可能的縮短；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,，僅須在每次啟動電機(jī)時導(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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