永磁同步電機控制策略綜述

孫何敏

[摘? ? 要]當前，隨著新材料技術的飛躍式發展，稀土永磁材料的應用也逐步走向各個行業。磁性復合材料便是一種重要的新型磁材料，我國高能量密度永磁材料的儲量位于世界前列，例如釹、鐵、硼這類永磁材料，在我國有著非常可觀的開采前景，這也使得永磁電機在工業活動中經常被用到。永磁同步電機也叫做Permanent Magnetic Synchronous Machine，簡稱PMSM，這種電機是近些年新出現的一種電機，在實際應用中優勢明顯，主要體現在其轉子轉動慣量小方面，在工作中效率較高，且由于功率密度大，因此可靠性也能得到有效的保障。這也使得其廣泛應用在控制系統中，例如在控制系統的電機匹配上，很多數控機床的電機都用永磁同步電動機代替直流電機、感應電機。永磁同步電機的另一個重要優勢在于沒有激磁繞組，這樣就減少了電機所占用系統的空間，增加了系統的設計感，避免過熱，因此節能優勢非常明顯。首先分析了永磁同步電動機的種類及結構，然后從永磁同步電動機的特征入手，研究了永磁同步電動機的控制策略，為更好地應用永磁同步電動機提供理論基礎。

[關鍵詞]永磁同步電機;種類;控制策略

[中圖分類號]TM351 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）11–00–03

[Abstract]At present， with the rapid development of new material technology， the application of rare earth permanent magnetic materials has gradually moved to various industries. Magnetic composite materials are an important new type of magnetic material. The reserves of high energy density permanent magnetic materials in my country are located in the world In the forefront， permanent magnet materials such as neodymium， iron， and boron have very considerable prospects for exploitation in my country， which also makes permanent magnet motors often used in industrial activities. Permanent magnet synchronous motor is also called Permanent Magnetic Synchronous Machine， or PMSM for short. This kind of motor is a new type of motor that has appeared in recent years. It has obvious advantages in practical applications. Its advantages are mainly reflected in the small moment of inertia of its rotor. The efficiency is high， and because of the high power density， reliability can also be effectively guaranteed. This also makes it widely used in control systems， such as in the motor matching of the control system. Due to the performance advantages of such motors， many CNC machine tools use permanent magnet synchronous motors instead of DC motors and induction motors. Another important advantage of the permanent magnet synchronous motor is that there is no excitation winding， which reduces the space of the system occupied by the motor， increases the design sense of the system， and avoids overheating， so the energy saving advantage is very obvious. First， analyze the types and structures of permanent magnet synchronous motors， and then start with the characteristics of permanent magnet synchronous motors， study the control strategies of permanent magnet synchronous motors， and provide a theoretical basis for better application of permanent magnet synchronous motors.

[Keywords]permanent magnet synchronous motor; type; control strategy

永磁同步電機在工業生產中被廣泛應用，隨著智能技術的不斷發展，對于電機的控制方式方法也提出了新的需求。電機控制方式方法的優化是提升智能技術水平的關鍵，因此永磁同步電機的應用前景是十分廣泛的，永磁同步電機的控制方法是多樣的，無論是頻比控制，還是頻率控制和矢量控制，其最終目的是既能控制電機的轉速，也能控制電機的轉矩。轉速和轉矩的控制很多時候是同步的，這對于電機控制方法的要求是非常高的。當前，永磁同步電機在各類控制系統中被廣泛應用，同步電機比起其它電機來說，是可以達到對磁場定向控制效果的，而且轉矩的優點也十分突出，因此在實際應用中能夠兼顧動態和靜態的生產需求。

1 永磁同步電機的種類及結構

1.1 種類

永磁同步電機的種類通常是根據其轉子結構定義的，轉子結構的差異決定了永磁同步電機的種類，當前主要的永磁同步電機種類有凸裝、嵌入以及內埋三個種類。

1.2 結構

上述三種基本類型是根據其結構決定的。凸裝式被稱為外裝式的結構，凸裝式結構中，其直軸磁阻和交軸磁阻是完全一致的，這也決定了凸裝式結構下交軸電感和直軸電感的一致性，用公式表達為Ld=Lq，在性質上體現為隱極電機;嵌裝式和內埋式這兩種結構統稱為內裝式結構，這兩種結構的直軸磁阻與交軸磁阻是不等的，通常直軸大于交軸的磁阻，公式表達為Ld

2 永磁同步電機特征

永磁同步電機和以往的異步電機相比具有多個方面的特征。首先，永磁同步電機具有高功率的特征，高功率是由其因數決定的。一般生產商會使用永磁體來替換傳統的電勵磁，使用永磁同步電機便可以減少無功勵磁電流，這樣就明顯提升了因數。在實際應用中，永磁同步電機的定、轉在轉動同步的時候，轉心是沒有鐵耗的，因此效率比其它同類電機的效率是要高的，比不同種類的電機更具優勢。這類電機在25%～120%的額定負載都可以達到較高的功率因數，輕載轉動的時候，節能的效果更好，因此這類方法下永磁同步電機可以節省電能消耗。其次，響應效率高，尤其是動態響應非常迅速。永磁同步電機轉速的平穩性能良好。因此相比異步電機而言、其慣性較小，在電機轉矩中可以快速地響應，根本在于其轉矩的慣性比較高。永磁同步電機的體積較小，因此在重量上也有著明顯優勢，輕重量的電機產品更能夠得到市場的重視，而當前隨著高性能永磁材料的推廣，永磁同步電機的功率密度也有了很大的提升，同容量下，異步電機的體積和重量更大。這就為永磁同步電機的廣泛應用打下來良好的基礎，由于其體積小、重量輕、穩定性良好的優勢決定了永磁同步機在各個行業都有廣泛的應用。在應用中各行業通常注重電機的穩定性，直流電機和電勵磁同步電機結構復雜、維修成本高，因此永磁同步電機的結構簡單和成本優勢奠定了其應用的市場前景。

3 永磁同步電機控制策略研究

永磁同步電機控制的直接原理是頻率控制，也就是通過變頻調速來控制永磁同步電機。當前普遍應用的變頻調速控制方法包括轉速閉環恒壓頻比（v/f）、轉差頻率、矢量和直接轉矩等不同控制策略。

3.1 頻比控制

頻比控制通常也被稱之為轉速閉環恒壓頻比控制，在永磁同步電機等各類控制方法中，轉速閉環恒壓頻比控制方法的應用是最為普遍的。其控制的基本原理是變頻調速控制。轉速閉環恒壓頻比控制是針對v/f進行恒定控制，這樣磁通就能被固定下來，然后再通過轉差頻率的控制來實現電機轉矩和轉速的操作。轉速閉環恒壓頻比控制法的劣勢在于其載性差，因此壓降定子是必需的，只有經過定子壓降才能提升載力，頻比控制是對氣隙磁通進行控制，因此是不具備轉矩調節的，這也造成其控制方面的局限性。轉速閉環恒壓頻比控制法操作較為簡易、穩定性好，調速操作簡單，因此在靜態控制場景比較適用，比如水泵的控制就會優先選擇轉速閉環恒壓頻比控制法。

3.2 頻率控制

頻率控制在應用中由于其控制原理也被叫做轉差頻率控制，這種控制方法應用了轉差信號原理，在使用中，其輸入轉差信號和實際轉速信號疊加后形成的就是頻率信號[1]。因此在電機轉速減低或者增加時，實際頻率也會降低或者增加，上升、下降的同比是這個控制策略的基本原理。轉差頻率控制雖然能夠簡單地控制轉矩，但其應用原理依舊依賴模型的穩定性，因此不適用轉矩控制，常在靜態控制中使用這種策略。

3.3 矢量控制

矢量控制是永磁同步電機的重要控制方法。這種控制方法是根據矢量控制理論演變的，矢量控制理論由西方科學家首先提出，并經過了半個世紀的發展，成為電機控制理論中的核心內容。在矢量控制理論中，電機的轉子磁鏈在旋轉空間下的矢量分布，成為磁控的前提，確定這個前提的情況下，定子電流會定向分解，實現了定子的正交，此時產生的磁鏈同向定子電流勵磁、磁鏈方向正交定子電流轉矩，二者是能量的分解，通過對同向定子電流勵磁和定子電流轉矩進行控制，實現電機運行的動態控制[2]。矢量控制的結構并不復雜，市場上控制軟件也比較多，因此廣泛應用于電機的調速系統。坐標變換是矢量控制的基本方法，這個過程是相對復雜的，操作人員需要對轉子磁鏈進行觀測，且這種方法對電機的參數要求很高，實際操作中很難完全的解耦，因此控制效果不明顯。選擇用矢量控制法進行永磁同步電機控制的時候，首先要認識到質量控制法最大的優勢在于調速效果好、可調速的范圍非常廣，比轉速閉環恒壓頻比控制法和轉差頻率控制法下的動態性能更為良好。其次是認識到矢量控制的缺點，即轉子磁鏈的定向電機參數的變化有著直接的關系。受到電機參數變化影響下會產生失真問題，這樣就會直接降低電機控制系統的調速能力，針對這個問題，最好的解決方案是采用智能化的控制器。智能化PI調節器是一種普遍應用的產品，很多永磁同步電機的電流環、速度環都會選擇使用PI控制，在使用PI控制的前期，會進行轉速和轉矩控制的仿真測試。通常來說，PI控制器的參數會直接影響控制系統的性能，永磁同步電機的強耦合性很難用精確的模型來進行實驗仿真，PI控制器作為一種典型的線性控制器，魯棒性較差，因此在控制系統中如果直接使用一般的PI控制器很難達到控制目的，對于系統性能和控制精度需求高的場景，需要針對PI控制器的算法進行變化，以達到更加優良的控制性能。通常使用分段PI速度調節法能有效地增強PI控制器的適應性，這個過程中要對誤差量的大小進行分段，確定好參數Kp和Ki。在前期，加大調節的參數，誤差減小的情況下，可以適當的增加積分系數，這樣控制器就能更好的針對永磁同步電機進行調速及控制。

4 結語

本文所提到的三種方法，都有相應的優勢和劣勢，如何減少控制方法的劣勢，增加控制方法的優勢，是擺在產品設計者面前的重要難題，本文重點介紹了矢量控制中對于PI控制器的應用，雖然PI控制器這類線性控制器與永磁同步電機的強耦合性沖突，但可以通過改進PI控制軟件的算法實現二者的兼容，為更好的實現永磁同步電機的控制提供有效策略。

參考文獻

[1] 羅慧，陳威龍，尹泉.無電解電容永磁同步電機驅動系統控制策略綜述[J].電氣傳動，2019，49（4）：13-20.

[2] 陳芬，王敏.基于滑模變結構的永磁同步電機直接轉矩控制研究綜述[J].電氣自動化，2019，41（2）：1-3，7.

[3] 董新偉，王一飛，楊磊.車用高性能永磁同步電機磁極設計綜述[J].微電機，2019，52（11）：97-100.