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

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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 Strategies

WANG Yilan，XU Yanping

Xi’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

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