永磁同步电机控制策略综述和展望

永磁同步电机控制策略综述和展望

杨倩,王亮,洪胜利,何远威,张一恒

西安智德汽车电子控制系统有限公司 陕西 西安 710201

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摘要：随着近年来科技的飞速发展，各领域对电机的控制性能要求也越来越高，其中永磁同步电机因其构造简单、质量体积较小、效率高和较好的鲁棒性能而快速发展，同时由于近年来稀土材料大量运用于永磁体的研究，永磁同步电机的永磁体效能也明显提高。永磁体在经过充磁后可以形成恒定的磁场，具有良好的励磁特性，并且永磁体比电励磁质量更轻、稳定性更强、损耗更低。尤其是近年来电力电子技术的发展，更是让永磁同步电机的控制得到飞速发展。永磁同步电机的控制已成为近年来电机领域的研究重点。下面，文章就永磁同步电机控制策略综述和展望进行论述。

关键词：永磁同步电机；控制策略；未来展望

引言

永磁同步电机作为交流伺服系统的重要组成部分，由于其具有体积小、重量轻、效率高等一系列优点，在农业机械、航空航天等领域应用广泛。随着新型高效永磁材料的不断发现，电励磁装置逐渐被永磁体励磁所取代，节约了成本，使永磁同步电机获得了快速的发展。永磁同步电机作为一种强耦合、多变量的复杂系统，在控制过程中需要先进的控制算法进行简化处理，现阶段随着永磁同步电机的快速发展，已建立出一套适用性较高的数学模型，因此研究先进的控制算法显得尤为重要。

1永磁同步电机工作原理

电动机的工作原理是基于定子绕组中的电流和转子磁场之间的相互作用。

如图1 所示，当电机转子产生的永磁体直流磁场为d轴静磁场时，空间中没有旋转磁场。当三相定子绕组通直流电时，会产生相应的直流磁场。在合理控制各相绕组电流强度的前提下，两个直流磁场就像磁铁一样，产生相互作用力。由于定子绕组不能移动，转子磁场受到旋转力的影响。

图1 定子磁场与转子磁场作用示意图

磁场相对位置的变化会导致两者间的作用力变化并且不会保持恒定，通常在定子绕组中放置正弦点，形成等效的旋转磁铁。

2永磁同步电机控制策略综述以及展望

2.1矢量控制

矢量控制也称为磁场定向控制。由于在永磁同步电机输入交流电时会在电机内部产生电磁转矩和耦合磁场，这会影响电机的运行并给永磁同步电机的控制带来新的问题。而矢量控制技术能够利用两次坐标变换将控制简单化。矢量控制要经过Clark变化和Park变化，先通过Clark变换将电机被控量从三相静止坐标系转换到两相静止坐标系，然后通过Park变换将电机被控量从两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系。通过上述步骤，可以把复杂的交流电机控制转换为简单的直流电机控制。

2.2PID控制

PID控制是比较传统的线性控制策略，它具有较高的鲁棒性和较好的运算能力，由于调节方便，鲁棒性好，在现代化的生产工艺中得到了广泛的使用。PID由比例、积分、微分三个部分组成。PID控制器通过比例、积分和微分的组合运算求得控制量，实现对电动机的控制[14]。

PID控制使永磁同步电机控制系统的鲁棒性、稳定性和动态性能都有了较大提升，并使电机拥有更为准确的控制精度]，同时PID控制提高了电机的转速控制能力，可以自动调整控制器的参数，缩短了调试时间，提高了电机在各种负荷情况下的冗余能力。

2.3直接转矩控制

直接转矩控制是一种直接对电机的转矩进行控制的方法，该方法不需要进行复杂的坐标变换，可以省去复杂的解耦过程。直接转矩控制方法使用定子坐标系对电机的磁场和转矩进行运算]，通过两点式调节（Bang－Bang控制）产生的PWM信号控制逆变器的开关状态，进而调整转子磁链矢量与定子磁链幅值之间的角度，使转矩的大小发生变化，最终实现对永磁同步电机直接、准确的控制。

采用直接转矩控制的方法减小了外部参数变化对电机控制的影响，从而增强了系统的鲁棒性。直接转矩控制效率虽较矢量控制有所提升，但依旧存在很多缺点，比如电机低速运行时开关频率低以及转矩和磁链脉动较大等问题。

2.4滑模变结构控制

滑模变结构控制是一种非线性、不连续的控制策略。基于永磁同步电机的实时运行状态，滑模变结构控制可以连续切换运行状态，使系统按照滑模变结构控制预先设定好的路径运行。也可以说，滑模变结构控制是按照系统的要求来进行切换超平面的，而滑模变结构的变结构控制器的作用则是将该系统的状态从超平面的外部转换到超平面。在系统达到切换超平面时，滑模变结构控制就会沿切面运动至初始位置，这一过程被称作滑动控制。

对永磁同步电机而言，滑模变控制不需要知道电机具体的数学模型，只需要知道电机的系统参数和参数的变化范围即可。滑模变结构控制使得永磁同步电机的控制系统能够快速响应，且对参数扰动反应不灵敏，提高了系统的动态性能，增强了永磁同步电机的跟随性和鲁棒性。

2.5模糊控制

模糊控制是基于模糊集理论、模糊语言和模糊逻辑等理论来实现的一种智能控制算法。模糊控制是指模拟人的模糊性思考与判断以达到对受控对象的智能控制。模糊控制由模糊化、模糊推理和反模糊化三个过程构成。首先将专业人士的经验归纳为模糊准则，并对归纳后的模糊准则进行模糊处理，最后将模糊处理后的输出值加入到执行程序中。

对于永磁同步电机而言，模糊控制以语言变量代替数学模型，控制原则易于理解和实现，且受外界干扰的影响被大大降低，鲁棒性很强，同时具有很强的容错能力，适合非线性时变系统的控制。但由于模糊控制对信息进行了模糊处理，使得对系统的控制准确率下降，同时模糊控制很难消除稳态误差，因此无法实现对永磁同步电机的精准控制。

2.6神经网络控制

神经网络是一种仿照人类大脑的神经网络，由许多神经元相互连接而形成的智能控制方法，在一些较为复杂的变频调速控制系统中，神经网络控制要同时实现对整个系统的辨识与控制功能。神经网络控制包含两种模式，分别是学习模式和工作模式。其中学习模式是利用神经网络的学习算法调整各个神经元之间的联接关系，这一步能够让神经网络的输出值更符合实际情况。当系统处于神经网络的工作模式时，神经网络各神经元之间的联接关系无需改变，而此时神经网络具有分类和预测的功能。神经网络控制算法首先对神经网络整体进行大量的采样，再利用神经网络中的自适应算法对其权重进行调节，从而实现对神经网络的实时检测与控制。

神经网络控制使得永磁同步电机控制系统具有很强的鲁棒性、学习性、自适应性以及容错能力，同时神经网络控制与其他控制技术结合使得永磁同步电机在非线性、不确定性系统控制和系统辨识方面具有良好的性能。

3结语

综上所述，永磁同步电机的控制策略根据实际工程需要有了巨大的发展，文章重点对永磁同步电机各种控制策略的基本原理以及其在不同状态下对电机的控制性能进行总结和归纳，每种控制方法都有其优点和不足，永磁同步电机控制的总体发展趋势是将多种控制方法相互配合，向高效率、环保节能、集成化和智能化发展。

参考文献

[1]崔弘,李艳东.永磁同步电机控制策略综述[J].防爆电机,2021,56(03):3-7.

[2]白超.永磁同步电机控制技术综述[J].信息通信,2019(05):285-286.