永磁同步电机控制系统发展现状及趋势

永磁同步电机控制系统发展现状及趋势

甘婷婷

（贵州航天林泉电机有限公司 贵州贵阳 550081）

摘要：永磁同步电机具有高功率密度、高效率和高可靠性等优点，在现代工业中应用广泛，相关控制理论得到了长远发展。基于此，本文总结梳理了永磁同步电机控制系统的发展现状，然后论述了各控制系统的特点，最后展望了基于滑模控制的永磁同步电机控制系统的发展趋势，以期为未来永磁同步电机控制系统的进一步发展提供参考。

关键词：永磁同步电机；控制系统；发展现状；滑模控制；发展趋势

引言：自永磁同步电机诞生以来，因其具有一系列优异特性，得到了广泛研究，同时伴随着永磁材料和半导体器件的发展，永磁同步电机获得了长足发展。同时，随着相关控制理论的发展，永磁同步电机控制系统也随之进化，控制精度越来越高。因而在现代工业中，永磁同步电机广泛应用于国民经济、航空航天等众多领域，发挥着重要作用。相应的，随着技术产品的发展，对永磁同步电机的控制精度要求越来越高，故将各种先进控制方法应用的永磁同步电机的研究也不断涌现。

1永磁同步电机发展概况

永磁同步电机与其他电动机最大不同之处在于励磁电流是依靠永磁体产生。因此永磁同步电机具有以下优势[1]：

（1）采用永磁材料，高速运行过程中发热少，避免了电机工作时转子发冷却难的问题，同时寿命也得到了提高；

（2）永磁同步电机功率更高，可以达到97%左右；

（3）永磁同步电机功率密度更高，在较小尺寸下即可实现较高的功率和转矩。

1.1永磁同步电机发展历史

永磁同步电机的发展可总结为三个阶段[2]：

（1）20世纪六七十年代，这个阶段由于稀土材料未得到充分开发，价格昂贵，导致永磁同步电机成本高昂，仅在航空航天等高要求行业得到应用；

（2）20世纪八十年代，随着价格稍低的铅铁硼永磁材料的出现和电子控制技术的逐步成熟，永磁同步电机成本降低，同时控制相对容易实现，因而也逐步应用于民用领域；

（3）自20世纪九十年代至今，伴随着永磁材料价格的降低、电力电子技术和微处理器技术的发展，永磁同步电机的驱动系统研发应用也得到了明显发展，应用领域进一步扩大，尤其是近十年，永磁同步电机已经成为国民经济中电机驱动系统的第一选择。

1.2永磁同步电机原理

永磁同步电机结构主要由转子和定子组成，其中，转子由永磁体、转轴和导磁辄组成，定子由三相绕组和电枢铁心组成。当电流流过定子时，会在转子和定子间的空隙中产生一个相同形状的磁动势，转子磁通和定子磁通的相互作用使得永磁同步电机产生电磁扭矩，当电磁转矩克服转子转动惯量及阻尼转矩时，电机开始转动，并带动转子永磁体同步转动起来[3]。

根据永磁体安装位置，电机可分为表面式、嵌入式和内装式三种。

1.3永磁同步电机应用领域

永磁同步电机大量应用于电动汽车、港口机械、轨道交通、船舶推进和家用电器等领域[4]。

（1）电动汽车方面：在各种电动汽车的驱动中，永磁同步电机驱动是主要发展方向，日本、美国和欧洲都有许多学者在致力于这个研究。在国内，2010年的上海世博会上，上海汽车集团推出了永磁同步电机驱动电动概念车。

（2）港口机械：许多港口机械都选择使用永磁同步电机来提高港口机械来提高控制性能和降低能耗。采用永磁同步电机驱动的集装箱起重机，能耗只是传统感应电机驱动起重机的70%。

（3）轨道交通：阿尔斯通公司在2007年成功研发了高速列车，采用了永磁同步电机驱动牵引，这说明永磁同步电机驱动技术在轨道交通行业已经站在行业前沿，能够确保驱动系统获得高性能。

（4）船舶推进：永磁同步电机驱动的船舶推进系统结构紧凑，体积小，效率高，优势突出。已成为船舶推进驱动技术的主流。

（5）家用电器：目前，空调和冰箱已经广泛采用永磁无刷直流电机，在变频空调，正弦波永磁同步电机驱动会是空调驱动的主流技术。

2永磁同步电机控制系统发展概况

电动机控制可分直流和交流两种。直流控制在高性能传动系统中长期占据主导地位，其主要优点是平稳的速度控制，良好的启动、制动和正反转性能指标。然而，直流电动机具有结构缺陷，存在机械换向器和电刷，这限制了向高速大容量发展。与直流电动机相比，交流电动机具有体积小，无电刷和换向器，重量轻和转动惯量小等诸多优点，同时，随着微电子技术，电力电子技术，微机控制技术和先进控制策略的出现，交流电动机控制技术有了重大创新，并具备控制精度高、控制范围宽、动态响应快和四象限运行等优异性能。

矢量控制和直接转矩控制是永磁同步电机两种主要的控制方法。

矢量控制把定子电流通过坐标变换分解成为互相垂直的磁化电流分量和转矩电流分量，实现磁场和转矩的解耦控制，相当于将交流电机控制转化成为直流电机控制[5]。

直接转矩控制主要思想是把逆变器和电机看成一体，不用进行坐标变换，所以系统转矩响应快，非常适用于例如电力机车等需要快速响应的大惯量运动控制系统，但直接转矩控制由于采用离散的滞环控制，存在转矩脉动问题，需要在电机控制算法开发中继续深入研究

[6]。

近年来，为了进一步提高交流电机控制系统的控制性能，弥补PID控制理论对于非线性系统控制不佳，研究者们积极的在控制系统中引入各种先进的控制策略，比如自适应控制、预测控制、非线性反馈线性化控制、滑模变结构、自抗扰控制、神经网络控制、内模控制等，改进矢量控制系统的性能，实现电机的高性能控制。

3永磁同步电机控制系统发展趋势

在控制系统设计时，永磁同步电机是无法精确建模的，模型忽略了参数误差、测量噪声和不确定的外部干扰等。传统控制方法要求系统模型尽量精确，用近似模型很难实现电机的高性能控制，甚至失稳。因此，如何在电机只能建立近似模型和系统存在参数摄动和外部干扰等诸多不确定因素情况下，设计出满足控制性能要求的电机控制系统，具有很大研究价值。滑模变结构控制系统里的滑模面可以设定，系统进入滑模面运动后，系统性能由滑模面特性决定，鲁棒性强，结构简单，这使得滑模控制特别适合用在电机控制系统中。

目前，基于滑模控制的永磁同步电机控制系统研究主要集中于滑模变结构控制、滑模速度控制、滑模变结构位置跟踪控制和滑模观测器。

（1）滑模变结构控制理论在永磁同步电机中的应用主要有两种，第一种是直接采用滑模控制器实现对电机电流、速度和转子位置的控制；第二种是应用滑模观测器观测扰动，观测速度或者转子位置，实现电机高精度控制或无传感器控制。

（2）滑模速度控制系统在存在外部负载干扰或内部参数时变时可以提高系统的控制品质，但是，滑模控制系统存在抖振现象的问题，可能会造成系统失稳或者控制品质变差，需要在算法中加以解决。

（3）滑模变结构位置跟踪控制的研究成果丰富，但永磁同步电机滑模位置跟踪控制仍有许多问题有待解决。

（4）滑膜观测器对可扰动进行观测，并进行补偿，从而消除了扰动，兼具了较强的抗扰动能力和高控制精度。

因此，滑模观测器方法以其突出优点，在永磁同步电机控制系统中应用会越来越广泛深入，发展前景良好。已成为了提高永磁同步电机控制系统性能的热门应用手段之一。

参考文献

［1］朱明星, 谢清明. 10kW 高速永磁同步电主轴驱动控制系统设计[J]. 电气传动自动化, 2016, 38(2):18-21.

［2］ 唐任远. 稀土永磁电机发展综述[J]. 电气技术, 2005(04): 1-6.

［3］ 齐亮. 基于滑模变结构方法的永磁同步电机控制问题研究及应用[D]. 华东理工大学, 2013.

［4］ 唐丽婵, 齐亮. 永磁同步电机的应用现状与发展趋势[J]. 装备机械, 2011(01): 7-12.

［5］ 李培伟. 永磁同步电机伺服系统矢量控制技术研究[D]. 南京理工大学, 2013.

［6］ 唐中琦, 谢运祥. 直接转矩控制技术发展综述[J]. 微电机, 1998(01)：32-35.