永磁同步电动机及控制策略综述

永磁同步电动机及控制策略综述点击数：401王毅兰，徐艳平西安理工大学自动化学院电气工程系，陕西西安710048摘要综述了永磁同步电动机的发展，阐释了永磁同步电动机的控制策略，提出了最新进展与研究热点，展望了永磁同步电机的应用前景。

关键字永磁同步电动机；控制策略；综述Overviews of Permanent Magnet Synchronous Motor and Its Control StrategiesWANG Yilan，XU YanpingXi’an University of Technology，Xi'an Shaanxi 710048 China Abstract The development of permanent magnet synchronous is overviewed，the control strategies of permanent magnet synchronous is introduced，the applied foreground of permanent magnet synchronous is prospected.Keywords permanent magnet synchronous motor(PMSM)；control strategies；overviews材料技术的发展，特别是稀土永磁材料，磁性复合材料的出现，加之我国拥有—铁—硼)的储量，使得永磁电机活跃在各个工业生产中。

永磁同步电机（PM 的电机，具有转子转动惯量小、效率高、功率密度大、可靠性高的优点，因此例如在数控机床等场合，永磁同步电动机正在逐步取代直流电机和感应电机。

，明显地减小了体积，减轻了重量，降低了损耗，避免了电机发热，从而提高效果。

MSM 运动控制系统中，它比异步电动机更便于实现磁场定向控制，可以获得特性，使控制系统具有十分优良的动、静态特性。

机的种类和基本结构，永磁同步电机分凸装式、嵌入式和内埋式三种基本形式，如图1 所示，前两种阻与交轴磁阻相等，因此交、直轴电感相等，即Ld=Lq，表现为隐极性质；另，因此Ld<Lq，表现为凸极电机的性质。

值得注意的是，通过改变除凸装式以系数等结构尺寸，可以得到较大的直交轴电感比，从而提高电动机的转矩输出单便宜，应用较多。

这种结构中电机转子直径变得较小，从而导致电机的小惯量中小电感不总是有利，因为小电感将导致弱磁控制。

在弱磁控制期间虽然电压但速度依然需要不断上升。

弱磁控制是通过增加反相直轴定子电流分量实现的磁电流和低负载实现弱磁。

增大漏磁链，因增大的交轴电感使电枢的反应增大，致使极角增大和转矩降低然结构复杂、昂贵，但它具有高气隙磁通密度，因此它产生的转矩比凸装式电弦分布，从而降低齿槽转矩效应。

动机的特点机相比，永磁同步电机具有以下特点。

功率因数、节能用永磁体代替电励磁，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率铁耗，PMSM 的效率较电励磁同步电机和异步电机要高。

而且，PMSM 在25%较高的功率因数和效率，使电机在轻载运行时的节能效果更为显著，这样，在。

速、转速平稳PMSM 与异步电动机相比，具有较低的惯性，对于一定的电动机高。

量轻随着高性能永磁材料的不断应用，PMSM 的功率密度大大提高，与同容量大的减少。

、可靠性高在医疗器械、化工、轻纺、仪器仪表等领域均获得应用。

与直流电同步电动机没有电刷，简化了结构，提高了可靠性。

动机控制策略的调速主要通过改变供电电源的频率来实现。

目前常用的变频调速方式有转速频率控制、基于磁场定向的矢量控制（Vector Control）以及直接转矩控制（Di压频比控制频比控制是一种最常用的变频调速控制方法。

该方法是通过控制V/f恒定，使磁控制电机的转矩和转速。

这种控制方法低速带载能力不强，须对定子压降实行气隙磁通，不能调节转矩，故性能不高。

但该方法由于实现简单、稳定可靠，求不太高的场合，如对通风机、水泵等的控制，仍是首选的方法。

制的突出优点就在于频率控制环节的输入是转差信号，而频率信号是由转差信号，在转速变化过程中，实际频率随着实际转速同步地上升或者下降。

尽管转差转矩，但它依据的只是稳态模型，并不能真正控制动态过程中的转矩，从而得如图2 所示。

子工程师Balschke 首次提出矢量控制理论，使交流电机控制理论获得了一次质链旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，分别对它们进行控制，获。

因其控制结构简单，控制软件实现较容易，已被广泛应用到调速系统中。

但坐标变换，并需准确观测转子磁链，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证理论进行控制时，具有和直流电动机类似的特性。

矢量控制的优点在于调速范转子磁链定向会受电动机参数变化的影响而失真，从而降低了系统的调速性能提高系统的调速性能和鲁棒性。

[21]采用PI 控制，文献[20]中电流环、速度环均采用PI 调节，由仿真结果得极大的影响，永磁同步电机是一个具有强耦合的非线性对象，很难用精确的数性控制器，鲁棒性不够强，所以，在调速系统中难以达到令人满意的调速性能求较高的场合，这就需要对PI 算法进行改进，以达到更好的控制性能。

文献[2纯采用PI 调节效果并不理想，为此，提出了采用分段PI 速度调节的方法，即Ki。

在初期，可加大比例调节成分，随着误差减小适当加大积分系数，这样系及其正反转控制。

M的电压空间矢量的弱磁控制方面所做的研究，提出一种基于空间矢量PWM（制方法，在电机转速达到基本转速之前采用最大转矩/电流策略控制，超过基本略，使电机具有更大的调速空间，该策略可实现电压矢量近似连续调节，同传减小了PMSM的转矩脉动，提高了系统的性能。

制（DTC）框图如图3 所示。

nbrock 教授提出的高性能交流电机控制策略，摒弃了矢量控制的解耦思想，不等效与转化，省去了复杂的坐标变换；采用定子磁场定向，实现了在定子坐标、控制，定子磁链的估计仅涉及定子电阻，减弱了对电机参数的依赖性，很大制简单，转矩响应快，动态性能好。

开始时是使用于异步电机控制中，后来逐ng，M.F.Rahman 和Y.W.Hu 等人把直接转矩控制与永磁同步电机结合起来，矩控制理论，实现了永磁同步电机直接转矩控制方案，并且成功地拓展到了弱技术是继矢量控制后发展起来的，最早应用在感应电机中，随后应用到永磁同机不能像异步电机那样用零电压矢量降低转矩，而采用反向电压减小转矩，这析了零电压矢量在异步电机和同步电机中的不同作用，构造了一种应用零电压表，如表1 所列，可以改善转矩脉动和系统性能。

文献[11]也构造了一种新型的了传统的控制系统。

并通过仿真结果表明，正确地使用零电压矢量能够有效减矩控制的系统能以较大的转矩启动，并且含零电压矢量的系统的转矩平稳性较能在较短的时间内恢复稳定。

的是按一定规则从预制的开关表中选取近似合适的电压空间矢量对电机转矩和压矢量有限，不同程度地导致DTC 系统出现较大的磁链和转矩脉动。

文献[3]介在一个控制周期内，通过相邻基本电压矢量和零矢量合成，得到所需的任意电调。

SVM DTC 控制可在不改变系统硬件结构的条件下，获得更多的连续变化的链和转矩更精确的控制，从而降低转矩脉动。

控制方法和性能上，文献[4]和文献[5]提出了新的方法，文献[4]在矢量控制策方法，综合利用自控方式与他控方式各自的优点，在动态情况下，采用自控方，提高系统动态响应能力以及增强系统稳定性，当电机进入稳态运行时切换到标，减小转速波动和转矩脉动，兼顾调速系统动态性能和稳态性能，取得了更好同步电动机控制系统转子初始位置检测方法进行了分析与对比研究，给出基于简单有效的检测方法，主要是因为当给定电压矢量接近永磁体转子轴线时，可采用表决机制，多次测量后确定检测结果，以保证结果的正确性和更高的检测与传统的PID控制器结合，使系统有更好的动、静态特性。

频率优化和电压空间矢量合理选择两个方面提出了一种新的转矩调节方法，即通滞环比较器的滞环宽度值。

这样在充分利用功率器件开关频率的同时不仅克服率要求的缺陷，而且克服了在转速变化过程中采用固定滞环宽度值带来的功率低速转矩调节性能下降的缺陷。

同步电机直接转矩控制中磁链观测这一关键技术进行了研究，设计了一种新型补偿磁链观测器。

磁链观测是直接转矩控制技术中关键部分，直接关系到电机，适合永磁同步电机直接转矩控制应用的新型非线性正交反馈补偿磁链观测器算用的基于非线性正交反馈补偿的磁链观测器不仅能在高速下准确观测磁链，而低速时的不足和弊端，从而验证了基于非线性正交反馈补偿的磁链观测器在理稳态运行平稳，电流正弦，磁链能够运行在圆形轨迹上。

器控制的调速系统离不开闭环控制，但速度传感器的安装带来了系统成本增加、体积度传感器控制技术成为研究热点，其核心是如何准确获取电机的转速信息。

代表性的方案有：瞬时转速估计法，PI 控制器法，模型参考自适应系统法，法。

在无位置传感器的条件下检测转子初始位置的方法，适用于凸极和隐极同步电止、低速、高速范围内均可以估计出转子的实际位置，通过向电动机的定子绕效应即可确定转子的初始位置。

早先的无传感器控制方法主要集中在高速条件下，有：磁链位置估算法，特点决于电压、电流的测量精度及电机参数准确性；扩展卡曼滤波法，可以直接获，能很好地抑制测量和扰动噪声，但算法对电机参数有较强的依赖性，同时卡贴式永磁同步电动机，在任意同步旋转坐标系上利用电机稳态操作的结果估计转速的估计，采用的反电动势常数补偿算法，系统对反电势参数的变化相当稳，速度控制范围宽。

针对内嵌式永磁同步电动机的凸极原理，并且基于这个原理介绍了一种根据输简便，且没有依赖电机参数，建立数学模型或要进行复杂计算等缺点。

仅需要一套针对初始磁极位置检测的程序即可。

整个程序分为三个部分：第一部分是压矢量，并选择一个大的电压矢量作为起始的角度；第二部分将整个电气360毅从0毅或者180毅开始，测量给定电压矢量的电流，在保证测到最大电流时，尽可能的缩短；第三步则是进一步细分角度，利用二分法来精确的检测磁极位无须预知电机的参数，无须增加硬件设备，仅须在每次启动电机时导入相应程机未来研究热点方面，随着半导体技术的不断进步，使永磁同步电机体积能够再减小。

方面，研究如何进一步提高无速度传感器直接转矩控制性能。

感器控制的速度辨识的研究、矢量控制的鲁棒性研究，直接转矩中电压矢量选机控制系统稳定性的问题，研究哪些因素对稳定性有影响。

6-），硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动技术。

），讲师，研究方向为电力电子与电力传动技术。

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