永磁电机及其控制系统的原理摘要介绍了永磁电机的原理、现状和发展历史：永磁电机的两个 主要类别无刷直流电机和永磁同步电机的控制系统及各自的特 点。目前的交流电机控制的矢量控制、直接转矩控制基于神经网 络的自适应控制的原理介绍及优缺点。现代控制的种类以及相对 于传统控制的特点。分析了影响永磁同步电机控制系统发展的几 个主要因素。关键字：PMSM,矢量控制，直接转矩控制，基于神经网络的自适 应控制引言近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理 论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广 应用。与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机, 特别是稀 土永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点。永 磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低 了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高 了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提 高了电动机的效率和功率密度，因而它是近几年研究较多并在各 个领域中应用越来越广泛的一种电动机。在节约能源和环境保护 日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。因此。这里对 永磁同步电机的控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电动机控 制系统的各种控制策略发展方向。1 永磁电动机的种类及特点永磁交流电动机为现代运动控制系统提供了一种具有诸多优 点和适用广泛的装置。采用永久磁铁产生气隙磁通而不需要外部 励磁，这样就能设计出具有极好效率特性的永磁同步电机，这种 高效率额优点受到了越来越多的重视。另一方面，合理的应用永 久磁铁可能带来的低损耗，可使得电机设计获得极高的功率密度 以及转矩惯量比。1.1 交流永磁控制系统的分类永磁电机的永久磁铁励磁目前多使用稀土永磁材料，由于转 子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦 波和梯形波两种，因此，当转予旋转时,在定子上产生的反电动 势波形也分为两种：一种为正弦波形;另一种为梯形波。这样就有了两种在原理，模型和控制方法上有所不同的永磁 同步电机，为了区分由它们组成的永磁同步电机控制系统，在习 惯上，通常把正弦波形的称为永磁同步电机 (Permanent Magnet Synchronous Mot or，简称为PMSM)，把梯形波形的成为无刷直 流电机(Brushess Direct Current Motor,简称为 BLDC)。由于永磁同步电机和无刷直流电机在结构上的不同，它们在 电机模型、控制方法、控制系统组成以及应用范围上都有着较大 的差别。类似于同步电机，按照隐极和凸极的分类，永磁同步电 机可以分为，具有转子表面贴附永久磁铁的表面贴装式永磁同步 电机(Surface Permanent Magnet,简称SPM)与转子铁心内部埋 入永久磁铁的内埋式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet, 简称IPM)两种型式。1.2永磁同步电机的特点和应用1.2.1高功率因数、高效率永磁同步电动机与异步电动机相比,不需要无功励磁电流, 可以显著提高功率因数,减少定子电流和定子铜耗,而且在稳定 运行时没有转子铜耗,进而可以使总损耗降低而减小风扇容量甚 至去掉风扇,从而减小甚至省去了相应的风摩损耗。1.2.2转矩纹波小,转速平稳,动态响应快速准确,过载能力强。同步电动机比异步电动机对转矩的扰动具有更强的承受能 力,能做出比较快的反应。当异步电动机的负载转矩发生变化时, 要求电机的转差率也跟着变化,即电机的转速发生相应的变化, 但是系统转动部分的惯性阻碍电机响应的快速性。同步电动机的 负载转矩变化时,只要电机的功角做适当变化,而转速始终维 持在原来的同步速不变,转动部分的惯性不会影响电机对转矩的 快速响应。永磁同步电动机的最大转矩可以达到额定转矩的3倍 以上,对电机系统在负载转矩变化较大的工况下稳定运行非常有 利。1.2.3体积小、重量轻。近些年来随着高性能永磁材料的不断应用,永磁同步电动机 的功率密度得到很大提高,比起同容量的异步电动机来,体积和重量都有较大的减少，从而使其在许多特殊场合得到应用。1.2.4结构多样化，应用范围广，可靠性高。永磁同步电动机由于转子结构极其多样，产生了特点和性能 各异的许许多多的品种，从工业到农业，从民用到国防，从日常 生活到航空航天，从简单电动工具到高科技产品，几乎无所不包。 与直流电动机和电励磁同步电动机相比，它没有电刷，简化了结 构，增加了可靠性。2永磁同步电动机的控制策略任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产 生的。直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差90 ，因此可 以独立调节；交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。 因此，长期以来，交流电动机的转矩控制性能较差。经过长期研 究，目前的交流电机控制有矢量控制、直接转矩控制等方案。21矢量控制高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持，对于交流 电动机，目前使用最广泛的当属矢量控制方案。自1971年德国 西门子公司F. Blaschke提出矢量控制原理，该控制方案就倍受 青睐。因此，对其进行深入研究。矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流电动机上模拟直 流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交 流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使 这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流 电动机一样良好的动态特性。因此矢量控制的关键在于对定子电 流幅值和空间位置（频率和相位）的控制。矢量控制的目的是改善 转矩控制性能，最终的实施是对id, iq的控制。由于定子侧的 物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，因此调 节、控制和计算都不方便。需借助复杂的坐标变换进行矢量控制， 而且对电动机参数的依赖性很大，难以保证完全解耦，使控制效 果大打折扣。22直接转矩控制矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案。但因 其需要复杂的矢量旋转变换，而且电动机的机械常数低于电磁常 数，所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩。针对矢量控制的这 一缺点，德国学者Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具有 快速转矩响应特性的控制方案，即直接转矩控制（DTC）。该控制 方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节，采取定 子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电动机的定子 磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点。DTC 最早用于感应电动机，1997年L Zhong等人对DTC算法进行改 造，将其用于永磁同步电动机控制，目前已有相关的仿真和实验 研究。虽然，对DTC的研究已取得了很大的进展，但在理论和实践 上还不够成熟，例如：低速性能、带负载能力等，而且它对实时 性要求高，计算量大。2.3基于神经网络的自适应控制结合常规反馈误差学习和直接自适应控制的特点，神经网络 在线自学习模糊自适应永磁同步电动机伺服控制系统的结构:包 括一个常规反馈控制器FBC和一个神经网络NNC。反馈控制器在 控制初期实施启动控制并起主要作用，同时保证闭环系统的稳定 性。神经网络NNC则通过模糊推理机的输出信号不断得到训练， 并逐渐在控制行为中占据主导地位，最终取代常规反馈控制器。 当系统受到干扰或系统参数发生摄动，常规反馈控制器重新起作 用,使系统稳定,并训练NNC直到系统稳定。所以这种控制策略学 习和控制同时进行,实时性、鲁棒性都比较好。3传统控制的不足与现代控制种类对于永磁同步电动机交流伺服系统，一般采用矢量控制方法 或直接转矩控制方法。矢量控制可通过一系列的矢量变换，使转 子磁链与定子磁链正交，电磁转矩控制性能好，调速范围宽，但 转子参数的变化对控制性能有较大的影响。直接转矩控制则直接 对电机的转矩进行反馈控制，从而可以抑制磁链变化对转矩的影 响，近似实现转矩与磁链的解耦，控制结构简单，动态响应好， 但电机转矩脉动大，低速性能较差。正是由于传统控制方法具有一定的局限性，人们开始探讨永 磁同步电动机的新型控制策略，并试图把现代控制理论的成果应 用到永磁同步电动机的控制中，以解决永磁同步电动机数学模型 的非线性和强耦合问题。到目前为止，已有多种控制方法被应用 到永磁同步电动机中，如自适应控制、滑模变结构控制、非线性 控制、智能控制等。上述永磁同步电动机的各种控制策略各有优缺点，实际应用 中应当根据性能要求采用与之相适应的控制策略，以获得最佳性 能。永磁同步电动机以其卓越的性能，在控制策略方面已取得了 许多成果，相信永磁同步电动机必然广泛地应用于国民经济的各 个领域。4影响永磁同步电机控制系统发展的主要因素影响永磁同步电机控制系统发展的因素有很多，主要包括了 永磁材料，电力电子器件，计算机仿真技术，高性能控制芯片以 及智能控制理论。参考文献1 ,黄娟;方波、正弦波无刷直流电机及永磁同步电机结构、性 能分析J；电机技术；2003年01期2 子义;刘辉;曾咪;永磁同步电机无传感器控制技术研究现状 与控制策略综述J;矿工自动化;2007年03期3 陈磊，李洪章；电站系统工程J;2011年04期4 季画; 永磁同步电机调速系统矢量控制的研究 D; 南京航空 航天大学;2004年5 胡守仁.神经网络应用技术M.长沙：国防科技大学出版6 徐丽娜.神经网络控制M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版 社,19997谭永红.神经网络自适应PID控制及其应用.模式识别 与人工智能J,1993,6(l):81858孔洪亮,白连平;永磁同步电动机无传感器矢量控制方案的研 究J；电气技术；2010年04期9毛容芳，李汉强;基于神经网络的永磁同步电机矢量控制J; 变频器世界；2006年08期