永磁同步电机控制策略综述

　　孙何敏

　　[摘 要]當前，随着新材料技术的飞跃式发展，稀土永磁材料的应用也逐步走向各个行业。磁性复合材料便是一种重要的新型磁材料，我国高能量密度永磁材料的储量位于世界前列，例如钕、铁、硼这类永磁材料，在我国有着非常可观的开采前景，这也使得永磁电机在工业活动中经常被用到。永磁同步电机也叫做Permanent Magnetic Synchronous Machine，简称PMSM，这种电机是近些年新出现的一种电机，在实际应用中优势明显，主要体现在其转子转动惯量小方面，在工作中效率较高，且由于功率密度大，因此可靠性也能得到有效的保障。这也使得其广泛应用在控制系统中，例如在控制系统的电机匹配上，很多数控机床的电机都用永磁同步电动机代替直流电机、感应电机。永磁同步电机的另一个重要优势在于没有激磁绕组，这样就减少了电机所占用系统的空间，增加了系统的设计感，避免过热，因此节能优势非常明显。首先分析了永磁同步电动机的种类及结构，然后从永磁同步电动机的特征入手，研究了永磁同步电动机的控制策略，为更好地应用永磁同步电动机提供理论基础。

　　[关键词]永磁同步电机;种类;控制策略

　　永磁同步电机在工业生产中被广泛应用，随着智能技术的不断发展，对于电机的控制方式方法也提出了新的需求。电机控制方式方法的优化是提升智能技术水平的关键，因此永磁同步电机的应用前景是十分广泛的，永磁同步电机的控制方法是多样的，无论是频比控制，还是频率控制和矢量控制，其最终目的是既能控制电机的转速，也能控制电机的转矩。转速和转矩的控制很多时候是同步的，这对于电机控制方法的要求是非常高的。当前，永磁同步电机在各类控制系统中被广泛应用，同步电机比起其它电机来说，是可以达到对磁场定向控制效果的，而且转矩的优点也十分突出，因此在实际应用中能够兼顾动态和静态的生产需求。

　　1 永磁同步电机的种类及结构

　　1.1 种类

　　永磁同步电机的种类通常是根据其转子结构定义的，转子结构的差异决定了永磁同步电机的种类，当前主要的永磁同步电机种类有凸装、嵌入以及内埋三个种类。

　　1.2 结构

　　上述三种基本类型是根据其结构决定的。凸装式被称为外装式的结构，凸装式结构中，其直轴磁阻和交轴磁阻是完全一致的，这也决定了凸装式结构下交轴电感和直轴电感的一致性，用公式表达为Ld=Lq，在性质上体现为隐极电机;嵌装式和内埋式这两种结构统称为内装式结构，这两种结构的直轴磁阻与交轴磁阻是不等的，通常直轴大于交轴的磁阻，公式表达为Ld

　　2 永磁同步电机特征

　　永磁同步电机和以往的异步电机相比具有多个方面的特征。首先，永磁同步电机具有高功率的特征，高功率是由其因数决定的。一般生产商会使用永磁体来替换传统的电励磁，使用永磁同步电机便可以减少无功励磁电流，这样就明显提升了因数。在实际应用中，永磁同步电机的定、转在转动同步的时候，转心是没有铁耗的，因此效率比其它同类电机的效率是要高的，比不同种类的电机更具优势。这类电机在25%～120%的额定负载都可以达到较高的功率因数，轻载转动的时候，节能的效果更好，因此这类方法下永磁同步电机可以节省电能消耗。其次，响应效率高，尤其是动态响应非常迅速。永磁同步电机转速的平稳性能良好。因此相比异步电机而言、其惯性较小，在電机转矩中可以快速地响应，根本在于其转矩的惯性比较高。永磁同步电机的体积较小，因此在重量上也有着明显优势，轻重量的电机产品更能够得到市场的重视，而当前随着高性能永磁材料的推广，永磁同步电机的功率密度也有了很大的提升，同容量下，异步电机的体积和重量更大。这就为永磁同步电机的广泛应用打下来良好的基础，由于其体积小、重量轻、稳定性良好的优势决定了永磁同步机在各个行业都有广泛的应用。在应用中各行业通常注重电机的稳定性，直流电机和电励磁同步电机结构复杂、维修成本高，因此永磁同步电机的结构简单和成本优势奠定了其应用的市场前景。

　　3 永磁同步电机控制策略研究

　　永磁同步电机控制的直接原理是频率控制，也就是通过变频调速来控制永磁同步电机。当前普遍应用的变频调速控制方法包括转速闭环恒压频比(v/f)、转差频率、矢量和直接转矩等不同控制策略。

　　3.1 频比控制

　　频比控制通常也被称之为转速闭环恒压频比控制，在永磁同步电机等各类控制方法中，转速闭环恒压频比控制方法的应用是最为普遍的。其控制的基本原理是变频调速控制。转速闭环恒压频比控制是针对v/f进行恒定控制，这样磁通就能被固定下来，然后再通过转差频率的控制来实现电机转矩和转速的操作。转速闭环恒压频比控制法的劣势在于其载性差，因此压降定子是必需的，只有经过定子压降才能提升载力，频比控制是对气隙磁通进行控制，因此是不具备转矩调节的，这也造成其控制方面的局限性。转速闭环恒压频比控制法操作较为简易、稳定性好，调速操作简单，因此在静态控制场景比较适用，比如水泵的控制就会优先选择转速闭环恒压频比控制法。

　　3.2 频率控制

　　频率控制在应用中由于其控制原理也被叫做转差频率控制，这种控制方法应用了转差信号原理，在使用中，其输入转差信号和实际转速信号叠加后形成的就是频率信号[1]。因此在电机转速减低或者增加时，实际频率也会降低或者增加，上升、下降的同比是这个控制策略的基本原理。转差频率控制虽然能够简单地控制转矩，但其应用原理依旧依赖模型的稳定性，因此不适用转矩控制，常在静态控制中使用这种策略。

　　3.3 矢量控制

　　矢量控制是永磁同步电机的重要控制方法。这种控制方法是根据矢量控制理论演变的，矢量控制理论由西方科学家首先提出，并经过了半个世纪的发展，成为电机控制理论中的核心内容。在矢量控制理论中，电机的转子磁链在旋转空间下的矢量分布，成为磁控的前提，确定这个前提的情况下，定子电流会定向分解，实现了定子的正交，此时产生的磁链同向定子电流励磁、磁链方向正交定子电流转矩，二者是能量的分解，通过对同向定子电流励磁和定子电流转矩进行控制，实现电机运行的动态控制[2]。矢量控制的结构并不复杂，市场上控制软件也比较多，因此广泛应用于电机的调速系统。坐标变换是矢量控制的基本方法，这个过程是相对复杂的，操作人员需要对转子磁链进行观测，且这种方法对电机的参数要求很高，实际操作中很难完全的解耦，因此控制效果不明显。选择用矢量控制法进行永磁同步电机控制的时候，首先要认识到质量控制法最大的优势在于调速效果好、可调速的范围非常广，比转速闭环恒压频比控制法和转差频率控制法下的动态性能更为良好。其次是认识到矢量控制的缺点，即转子磁链的定向电机参数的变化有着直接的关系。受到电机参数变化影响下会产生失真问题，这样就会直接降低电机控制系统的调速能力，针对这个问题，最好的解决方案是采用智能化的控制器。智能化PI调节器是一种普遍应用的产品，很多永磁同步电机的电流环、速度环都会选择使用PI控制，在使用PI控制的前期，会进行转速和转矩控制的仿真测试。通常来说，PI控制器的参数会直接影响控制系统的性能，永磁同步电机的强耦合性很难用精确的模型来进行实验仿真，PI控制器作为一种典型的线性控制器，鲁棒性较差，因此在控制系统中如果直接使用一般的PI控制器很难达到控制目的，对于系统性能和控制精度需求高的场景，需要针对PI控制器的算法进行变化，以达到更加优良的控制性能。通常使用分段PI速度调节法能有效地增强PI控制器的适应性，这个过程中要对误差量的大小进行分段，确定好参数Kp和Ki。在前期，加大调节的参数，误差减小的情况下，可以适当的增加积分系数，这样控制器就能更好的针对永磁同步电机进行调速及控制。

　　4 结语

　　本文所提到的三种方法，都有相应的优势和劣势，如何减少控制方法的劣势，增加控制方法的优势，是摆在产品设计者面前的重要难题，本文重点介绍了矢量控制中对于PI控制器的应用，虽然PI控制器这类线性控制器与永磁同步电机的强耦合性冲突，但可以通过改进PI控制软件的算法实现二者的兼容，为更好的实现永磁同步电机的控制提供有效策略。

　　参考文献

　　[1] 罗慧，陈威龙，尹泉.无电解电容永磁同步电机驱动系统控制策略综述[J].电气传动，2019，49(4)：13-20.

　　[2] 陈芬，王敏.基于滑模变结构的永磁同步电机直接转矩控制研究综述[J].电气自动化，2019，41(2)：1-3，7.

　　[3] 董新伟，王一飞，杨磊.车用高性能永磁同步电机磁极设计综述[J].微电机，2019，52(11)：97-100.

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