永磁同步電機控制策略綜述與展望＊

呂從鑫，汪波，陳靜波，張蕊萍，董海鷹

（1．蘭州交通大學自動化學院，甘肅 蘭州 730070；2．蘭州萬里航空機電責任有限公司，甘肅 蘭州 730070；3．蘭州交通大學新能源學院，甘肅 蘭州 730070）

隨著近年來科技的飛速發展，各領域對電機的控制性能要求也越來越高，其中永磁同步電機因其構造簡單、質量體積較小、效率高和較好的魯棒性能而快速發展，同時由于近年來稀土材料大量運用于永磁體的研究，永磁同步電機的永磁體效能也明顯提高。永磁體在經過充磁后可以形成恒定的磁場，具有良好的勵磁特性，并且永磁體比電勵磁質量更輕、穩定性更強、損耗更低。尤其是近年來電力電子技術的發展，更是讓永磁同步電機的控制得到飛速發展。永磁同步電機的控制已成為近年來電機領域的研究重點。本文根據當前的國內外發展狀況，對永磁同步電機的控制策略進行了敘述和總結[1]。

1 永磁同步電機傳統控制策略

雖然永磁同步電機在其結構、功率因數以及可靠性等方面有很大的優勢，但其弱磁能力比較差，且調速范圍很小不容易實現電機的精準控制。而通過對永磁同步電機控制策略的研究，可以大大提高其控制性能。下面先對永磁同步電機的傳統控制策略進行綜述。

1．1 矢量控制

矢量控制也稱為磁場定向控制。由于在永磁同步電機輸入交流電時會在電機內部產生電磁轉矩和耦合磁場，這會影響電機的運行并給永磁同步電機的控制帶來新的問題[2]。而矢量控制技術能夠利用兩次坐標變換將控制簡單化。矢量控制要經過Clark變化和Park變化，先通過Clark變換將電機被控量從三相靜止坐標系轉換到兩相靜止坐標系，然后通過Park變換將電機被控量從兩相靜止坐標系轉換到兩相旋轉坐標系。通過上述步驟，可以把復雜的交流電機控制轉換為簡單的直流電機控制[3－4]。

針對永磁同步電機，采用矢量控制法將勵磁電流定位到轉子磁極上，通過調節轉矩電流和勵磁電流，獲得最佳轉矩。在瞬態過程中，無論負荷驟增還是驟降，矢量控制都可以根據電機轉速的變化自動調節電壓、頻率和相位，從而迅速將瞬態過程恢復平衡[5]。矢量控制使系統的動態特性和轉矩響應能力更好，同時提高了系統的控制精度和響應速度，使電機調速范圍更寬[6]。所以，矢量控制策略目前在永磁同步電機控制領域依然被廣泛使用。

但是，矢量控制增加了運算系統的復雜程度，提高了運算量；矢量控制對控制器的要求高，因此需要速度更快的DSP；轉子磁鏈的計算容易受到轉子電阻的影響。

為解決轉速偏差問題同時保證電機在運行時更加平穩，可以將具有自動監測、自動辨識以及自適應功能等功能強大的變頻驅動器應用于矢量控制，或將矢量控制與專用數字化自動電壓調整器控制技術結合用于永磁同步電機的控制。文獻[7]提出一種矢量位置觀測器，用于檢測基于低分辨率霍爾傳感器的永磁同步電機中的高速轉子位置，使得在矢量跟蹤校正環路無法正常操作的零速和零點左右也能提供有用的信息。文獻[8]提出的無速度傳感器矢量控制方法解決了低通濾波器和計算延遲問題。文獻[9]提出的基于磁鏈狀態觀測器和積分反饋速度估計的無傳感器矢量控制方法利用相位與轉速之間積分和推導的內在物理關系估算轉子速度。文獻[10]提出了一種表貼式永磁同步電機驅動的低復雜性雙矢量模型預測電流控制方法，有助于改善永磁同步電機運行時的穩態性和動態性。

1．2 恒壓頻比控制

恒壓頻比控制策略（VVVF）也稱為恒磁通控制。恒壓頻比控制是一種基于轉速開環的控制方法，這種控制方法控制效果并不理想，通常用于不需要電機擁有極高控制性能的場合中[11]。與傳統控制策略相比，恒壓頻比控制結構較為簡單，且制造成本較低，能夠用于控制要求和成本預算不高的情況中。該方法的基本思想是，當電源的供電頻率發生變化時，從逆變器輸出的電壓也會隨之改變，這樣就可以使得電機的磁通維持在恒定值[12]。

對于永磁同步電機而言，恒壓頻比控制能夠適應大范圍調速系統的要求；同時，恒壓頻比控制策略可以實現電機調速系統機械性能的平穩升降，而且在調節電機速度時不會增加轉差功率消耗，具有較高的工作效能，提高了功率因數。

然而，恒壓頻比控制方法在電機的動態性能方面卻很不理想，只能對電機的氣隙磁通進行調節，卻無法實現對電機轉矩的精準實時控制，從而導致轉子振蕩和失步等問題，因此達不到高精準電機控制的目標。為此可以通過結合負載角閉環控制抑制恒壓頻比控制下的轉矩波動，同時為解決恒壓頻比控制策略中的失步和運行效率低等問題，可以設計合適的功角閉環器。文獻[12]提出了一種基于卡爾曼濾波估計方法、絕對式光電編碼器和霍爾位置傳感器對永磁同步電機進行實時功角檢測，該方法提高了控制的精確度和可靠性，并且具有很好的靜動態性能和魯棒性。文獻[13]提出了一種采用迭代學習控制法對電機的恒壓頻比控制中產生的周期性轉矩脈動進行抑制，實現了在不依靠已有的先驗知識和系統參數的情況下有效地降低轉矩脈動，提高電機控制系統的魯棒性。

1．3 PID控制

PID控制是比較傳統的線性控制策略，它具有較高的魯棒性和較好的運算能力，由于調節方便，魯棒性好，在現代化的生產工藝中得到了廣泛的使用。PID由比例、積分、微分三個部分組成。PID控制器通過比例、積分和微分的組合運算求得控制量，實現對電動機的控制[14]。

PID控制使永磁同步電機控制系統的魯棒性、穩定性和動態性能都有了較大提升，并使電機擁有更為準確的控制精度[15]，同時PID控制提高了電機的轉速控制能力，可以自動調整控制器的參數，縮短了調試時間，提高了電機在各種負荷情況下的冗余能力[16]。

然而，現實情況中，被控制對象往往具有非線性、控制系統復雜多變、時變不確定性和易受外界擾動影響等特征，從而導致簡單的PID控制性能難以達到電機控制要求，因此PID控制與各種其他控制相結合形成智能PID控制是目前的發展趨勢。文獻[17]提出了一種永磁同步電機抑制電流諧波與PID控制相結合的方法，該方法不僅可以抑制電流諧波，還可以降低過沖和推力紋波。文獻[18]提出了一種采用專家PID控制技術實現對永磁同步電機的轉速調節，提高了電機的響應速度、動態性能和抗干擾能力，降低了電機參數變化、負載擾動等因素對電機控制性能的影響，從而對大負載擾動進行了有效抑制。文獻[19]為了改善電機控制系統的反應速度和動態性能，將BP神經網絡控制應用于電機的PID調速控制，該方法不僅滿足上述要求還使系統具有較好的魯棒性。文獻[20]提出了一種基于遺傳算法與模糊PID復合控制的電機調速研究，該控制方法具有更加穩定的轉速、轉矩和三相電流輸出，且系統波動更小，擁有很好的動態響應。

2 永磁同步電機現代控制策略

2．1 直接轉矩控制

直接轉矩控制是一種直接對電機的轉矩進行控制的方法，該方法不需要進行復雜的坐標變換，可以省去復雜的解耦過程。直接轉矩控制方法使用定子坐標系對電機的磁場和轉矩進行運算[21－22]，通過兩點式調節（Bang－Bang控制）產生的PWM信號控制逆變器的開關狀態，進而調整轉子磁鏈矢量與定子磁鏈幅值之間的角度，使轉矩的大小發生變化，最終實現對永磁同步電機直接、準確的控制[23]。

采用直接轉矩控制的方法減小了外部參數變化對電機控制的影響，從而增強了系統的魯棒性[24]。直接轉矩控制效率雖較矢量控制有所提升，但依舊存在很多缺點，比如電機低速運行時開關頻率低以及轉矩和磁鏈脈動較大等問題[25－26]。

未來直接轉矩控制的發展方向在于與無速度傳感器控制相結合的控制研究，定子電阻的變化，磁鏈和轉矩滯環的改進以及死區效應的解決[27]。文獻[28]提出了一種基于離線近似方法的永磁同步電機牽引驅動非線性最優直接轉矩控制方法，在低速區域魯棒性、參考轉速和負載轉矩變化時瞬態響應，時間快、速度和轉矩紋波小，該方法改善了對電機的控制能力。文獻[29]提出了一種采用直接轉矩控制與恒定開關頻率相結合的控制方法，顯著降低了轉矩紋波，并且保持了經典直接轉矩控制的幾乎所有優點。文獻[30]提出的基于混合狼優化算法的滑模直接轉矩控制法在全局搜索能力和快速收斂方面表現出良好的綜合性能，并且實現了低轉矩紋波和穩定的磁通跟蹤。文獻[31]提出了一種永磁同步電機直接轉矩無傳感器運行優化方法，為了改善電機的動態特性和魯棒性同時降低磁鏈和轉矩脈動，設計了改進自抗擾控制器速度調節器，得到了較好的控制效果。

2．2 滑模變結構控制

滑模變結構控制是一種非線性、不連續的控制策略。基于永磁同步電機的實時運行狀態，滑模變結構控制可以連續切換運行狀態，使系統按照滑模變結構控制預先設定好的路徑運行[32]。也可以說，滑模變結構控制是按照系統的要求來進行切換超平面的，而滑模變結構的變結構控制器的作用則是將該系統的狀態從超平面的外部轉換到超平面。在系統達到切換超平面時，滑模變結構控制就會沿切面運動至初始位置，這一過程被稱作滑動控制[33]。

對永磁同步電機而言，滑模變控制不需要知道電機具體的數學模型，只需要知道電機的系統參數和參數的變化范圍即可。滑模變結構控制使得永磁同步電機的控制系統能夠快速響應，且對參數擾動反應不靈敏，提高了系統的動態性能，增強了永磁同步電機的跟隨性和魯棒性[34]。

滑模變結構的控制優勢在于其動態特性和較好的魯棒性；其不足之處在于，滑模變結構控制在平衡點的兩邊上下移動并趨于平衡點，因此造成系統的抖振問題[35]。未來滑模變結構控制趨向于與魯棒控制、自適應控制、離散系統、積分系統等控制算法相結合。文獻[36]提出了一種采用矩陣變換器－PMSM的滑模變結構控制算法，這種方法對抑制電機電流因電網電壓擾動而產生的波動有很好的效果，并且使系統整體擁有很強的魯棒性。文獻[37]提出了一種基于逆變器死區特性的永磁同步電機系統的自適應滑模變結構控制法，根據電機逆變器死區系統模型特點，使用自適應滑模變控制算法，實現了死區補償和非線性控制，該方法具有較強的魯棒性，并且可以準確完成位置跟蹤的任務。文獻[38]提出了一種具有積分操作開關表面的新型滑模控制器，利用自適應算法估計不確定性的邊界，在系統參數變化和外部負載擾動的時候具有較強的魯棒性。文獻[39]設計了一種積分型滑模變結構控制器，該方法基于龍伯格線性觀測器設計了負載轉矩觀測器，使得系統具有快速性、無超調并對負載擾動具有較強的魯棒性。

2．3 自適應控制

自適應控制的被控對象的數學模型是不確定的，會隨著一些不確定的因素實時發生改變[40]。自適應控制可實現對控制系統的控制參數或規則的自適應調節，其基本原理是不斷地測量被控系統的實時運行狀態并與期望的運行指標相互比較，根據與期望的運行指標的對比偏差做出相對應的具體決策以改變對被控系統的控制參數，使系統運行在比較好的狀態下[41]。自適應控制包括三個基本步驟：先對被控對象的動態特性進行自動識別，然后根據識別到的參數進行控制決策的修改，最后根據被修改后的控制指令改變控制系統。

自適應控制在永磁同步電機的控制中表現出很好魯棒性和動態性能，并且自適應控制克服了各種抖振和參數變化的影響，在永磁同步電機的實際控制中具有較高的容錯能力[42－43]。其缺點是根據反饋到的信息變更控制性能指標使得運行速度較慢，在線辨識和校正所需要的時間比較長，不能達到快速控制電機的目的[44－45]。

由于在實際工程應用中自適應控制無法進行具體的數學建模，因此其參數無法確定，不可控因素以及外界干擾很多導致傳統的自適應控制不能滿足控制要求，因此自適應控制需要與其他控制方式相結合，實現對電機控制性能的提升。如自適應反推控制在不需要硬件的條件下，通過遞推計算虛擬信號，然后處理每一步誤差系統，最終得到控制信號，這種控制方式可以靈活選擇控制信號，顯著提高控制系統的控制性能[46]。自適應神經網絡控制通過模擬人腦構造出大量的神經元網絡系統，使該系統如同人腦一樣擁有強大的自學能力，這種控制方式能夠大大提高控制系統的性能，是一種具有良好發展潛力的智能化控制方式[47]。自適應魯棒控制、自適應控制和魯棒控制都是用來處理不穩定參量的控制方法，將兩種控制方式結合起來使用能夠取長補短，使得控制性能更加卓越；自適應魯棒控制通過不斷實時測量被控系統的輸入、輸出狀態等性能參數，按照一定的設計要求做出合適的控制決策以便對被控系統的結構參數等進行控制[48]。自適應模糊控制用于永磁同步電機控制參數不確定的控制系統中，該控制方法不需要對負載未知的非線性伺服系統建立準確的數學模型，只需要將控制算法模糊化即可，對永磁同步電機在復雜情況下的運行有比較優越的控制性能[49]。自適應滑模控制也稱為自適應變結構控制方式，滑模控制器根據系統當前的狀態使得系統在預先設定好的軌跡上運動，自適應滑模控制不受系統參數和擾動影響，因此能夠解決參數不確定和受到的干擾等問題，但滑模控制在切換控制時容易發生抖振現象[50]。自適應優化算法優化了伺服系統控制器參數，解決了“參數過多，調節困難”的問題，極大地改善了控制系統的設計效率，減少了響應超調量，對相關參數進行識別的同時提高了系統的穩定性以及跟蹤和抗干擾性能。文獻[51]提出的對于永磁同步電機的自適應反推控制與自適應徑向基神經網絡控制相結合的控制方法，使得控制系統具有更好的位置跟蹤性和抗干擾性。文獻[52]提出了一種基于自適應線性神經元的電流諧波抑制方法，該方法提出的自整定電流諧波補償器不需要了解反電動勢諧波分量和死區時間效應，也不需要額外的硬件，但是可以產生更精確的補償電壓，有效抑制電流諧波。文獻[53]提出了一種基于干擾觀測器內部模型的永磁同步電機魯棒自適應電流控制，使得系統在參數變化的情況下具有較強的魯棒性。文獻[54]提出了一種基于速度自適應魯棒控制的永磁同步電機電流諧波抑制技術，該方法所設計的自適應魯棒控制器沒有穩態誤差，具有良好的參數魯棒性、快速響應和低過沖，能夠抑制諧波之間的耦合效應，消除速度變化對電機響應的影響，使電機能夠穩定運行。文獻[55]提出了一種自適應補償器永磁同步電機積分型連續滑模控制，該方法中設計的連續滑模控制器無抖振，且保證了閉環系統在參數不確定和擾動下的有界，降低了滑模控制器增益，同時保證了系統漸進收斂。文獻[56]提出了一種永磁同步電機自適應模糊滑模魯棒無源控制，通過設計魯棒無源控制器提高了電流預測控制的魯棒性，設計模糊滑模軟切換控制器，實現軟切換連續控制，用自適應模糊控制法削弱滑模抖振。文獻[57]提出的自適應模糊分數階滑模控制策略具有針對參數變換和外部擾動的魯棒控制性和精確的跟蹤響應。

3 永磁同步電機智能控制策略

3．1 模糊控制

模糊控制是基于模糊集理論、模糊語言和模糊邏輯等理論來實現的一種智能控制算法。模糊控制是指模擬人的模糊性思考與判斷以達到對受控對象的智能控制。模糊控制由模糊化、模糊推理和反模糊化三個過程構成[58]。首先將專業人士的經驗歸納為模糊準則，并對歸納后的模糊準則進行模糊處理，最后將模糊處理后的輸出值加入到執行程序中[59－60]。

對于永磁同步電機而言，模糊控制以語言變量代替數學模型，控制原則易于理解和實現，且受外界干擾的影響被大大降低，魯棒性很強，同時具有很強的容錯能力，適合非線性時變系統的控制。但由于模糊控制對信息進行了模糊處理，使得對系統的控制準確率下降，同時模糊控制很難消除穩態誤差，因此無法實現對永磁同步電機的精準控制[61－62]。

雖然目前對于模糊控制的應用研究有了很大的成果，但是模糊控制的系統分析和理論研究還不夠深入透徹[63]，未來基于離散時間法、反推控制以及滑模控制的模糊控制策略將進一步改善永磁同步電機的控制性能。文獻[64]提出了一種采用模糊滑模觀測器對高速運行的永磁同步電機的轉子位置進行觀測，利用模糊控制調節滑模增益，有效地降低了低速狀態下的抖振，并且能夠準確檢測到低速運行狀態下的轉子位置，使系統擁有更好的可靠性，滿足了永磁同步電機調速范圍寬和反電動勢系數小的要求。文獻[65]提出了一種模糊控制與反推控制結合的永磁同步電機控制策略，明顯地改善了系統的轉速跟蹤性能，實現了電機系統的完全解耦，該方法靈活調節系統中的反推參數，同時使系統具有較強的魯棒性和良好的伺服性能。文獻[66]提出了一種基于離散時間法的永磁同步電機離散T－S模糊調速設計方法，該方法不依賴于負載轉矩的變化，在模型參數和負載轉矩變化的情況下具有良好的調速性能。

3．2 神經網絡控制

神經網絡是一種仿照人類大腦的神經網絡，由許多神經元相互連接而形成的智能控制方法，在一些較為復雜的變頻調速控制系統中，神經網絡控制要同時實現對整個系統的辨識與控制功能[67]。神經網絡控制包含兩種模式，分別是學習模式和工作模式。其中學習模式是利用神經網絡的學習算法調整各個神經元之間的聯接關系，這一步能夠讓神經網絡的輸出值更符合實際情況。當系統處于神經網絡的工作模式時，神經網絡各神經元之間的聯接關系無需改變，而此時神經網絡具有分類和預測的功能。神經網絡控制算法首先對神經網絡整體進行大量的采樣，再利用神經網絡中的自適應算法對其權重進行調節，從而實現對神經網絡的實時檢測與控制。

神經網絡控制使得永磁同步電機控制系統具有很強的魯棒性、學習性、自適應性以及容錯能力，同時神經網絡控制與其他控制技術結合使得永磁同步電機在非線性、不確定性系統控制和系統辨識方面具有良好的性能[68]。

神經網絡控制能夠進行自我學習優化，快速找出最優解并進行自聯想等。但它也存在著很多缺陷，例如無法對推理的程序進行說明，無法在數據不足的情況下向使用者提問，使神經網絡系統無法正常工作。因為所有問題都變成了數字，很可能會出現丟失數據等問題[69－70]。在今后的發展中，可以將神經網絡控制的發展趨勢分為兩個方向，一是通過神經生理學和認識科學對人腦思維模式、智能機理和計算機理論進行研究；二是利用計算機仿真模擬神經網絡的運行并應用到實際工程中的硬件實現。文獻[71]設計了一種基于人工神經網絡的魯棒速度控制器，確保了對轉動慣量和定子磁通量變化的穩健速度控制。文獻[72]提出了一種基于混合小波神經網絡的位置跟蹤器，使得無論永磁同步電機中的參數和負載干擾如何變化，速度控制器都能夠提供強大的性能和精確的動態響應。

3．3 容錯控制

容錯控制是指在電機運行過程中某一部分系統功能失效的情況下，利用系統中多余的資源進行容錯，使得系統可以重新配置或者以某種方式降低一些其他不必要的性能，使該系統可以保持原控制要求的性能，從而實現預定的功能[73]。容錯控制包含主動容錯和被動容錯兩種控制方式。主動容錯控制是指當系統控制發生問題后，通過對控制器的參數進行動態的調節和修改。大部分的主動容錯系統都必須具備一個故障檢測子系統，并且在此基礎上需要對其進行預處理，從而使其具有更好的控制效果[74]。被動容錯控制不需修改控制器的參數及體系架構，與魯棒控制思想相似，被動容錯控制使整個控制系統在不需任何故障檢測裝置的情況下對故障具有較強的魯棒性[75]。

智能容錯控制是指利用人工智能和容錯控制的理論和方法通過對系統整體進行實時的動態重構、缺陷自修復、故障補償等技術手段以保證系統安全可靠運行[76]。

容錯控制和智能容錯控制使得永磁同步電機控制系統在發生故障的情況下，能夠自動消除故障的影響以維護系統的穩定性并盡可能恢復系統故障前的性能，但同時又有可能會破壞電機內部其他功能的正常運行，導致電機的系統功能異常[77]。

容錯控制未來的研究方向在于各種智能控制方式結合，研究在線重構重建方法，提高系統的故障診斷速度進而提高系統的魯棒性和可靠性。文獻[78]提出了一種基于單滑模觀測器的無編碼器永磁同步電機電流傳感器容錯控制策略，實現了相電流誤差構造和轉子位置估計，受電機參數變化影響小，具有很強的魯棒性。文獻[79]提出了一種利用電流空間矢量誤差重建的電流傳感器無編碼器容錯控制法，能夠快速實現傳感器的故障診斷和定位，并快速切換到相應的容錯控制策略，提高了系統的可靠性。文獻[80]提出將高頻率的方波信號輸入到電機控制系統中，使得無傳感器永磁同步電機在正常和故障條件下都有很好的低速無傳感器控制性能。

4 結論

綜上所述，永磁同步電機的控制策略根據實際工程需要有了巨大的發展，經過對永磁同步電機各種控制策略的基本原理以及其在不同狀態下對電機的控制性能進行總結和歸納，得出未來永磁同步電機控制策略的研究熱點如下：

（1）為解決永磁同步電機中功率開關器件串聯所引起的動態均壓問題，可以將多電平逆變器應用于永磁同步電機的控制，同時能降低共模干擾，改善電機運行性能。

（2）無速度傳感器應用于永磁同步電機，注入特定頻率的激勵并與其他控制算法相結合，獲得準確的轉速信號，進一步研究永磁同步電機全速范圍的無速度傳感器控制。

（3）為增強算法的自適應能力，可以研究更為穩定高效的數字信號處理算法，使電機參數的變化對控制算法的影響更小。

（4）為提高系統的魯棒性和可靠性，將各種智能控制與傳統控制策略相結合，使永磁同步電機在更加復雜的環境下仍然能夠持續穩定的運行。

每種控制方法都有其優點和不足，永磁同步電機控制的總體發展趨勢是將多種控制方法相互配合，向高效率、環保節能、集成化和智能化發展。