第1章绪论
1.1永磁同步电机发展现状
随着我国建设步伐的不断加快，装备制造业面临的技术需求日益提髙。作为战略性新兴产业，高端装备制造业，尤其是面向国家支柱产业的高端装备制造技术成为国家重大需求。我国提出《中国制造2025》战略迎接全球工业化革新浪潮，全面部署推进实施制造强国战略，推动工业机器人、航空航天装备及高技术船舶、新能源汽车等重点领域的突破发展。在《关于加快振兴装备制造业的若干意见》中，纵观振兴装备制造业的十六个关键领域，每个领域的振兴都离不开高效能电机系统，如大型冷热连轧成套设备、新型地铁和轨道交通车辆、大型海洋运输船舶等。可见，随着现代科技，特别是高端装备制造业的发展，高效能电机系统已经成为实现装备制造业现代化、提升其竞争力的关键与核心，对我国装备制造业发展起到重要的支撑作用。
永磁同步电机具有高效率、高功率密度等特点，逐渐成为支撑国民经济发展和国防建设的重要能源动力装备，以及重大基础装备的关键与核心，具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。就发展历程而言，永磁同步电机的发展依赖永磁材料性能的提高和电力电子技术的突破。20世纪60年代，由于稀土永磁材料价格较高，永磁同步电机的应用仅集中在航空航天等特殊行业。80年代，随着钕铁硼永磁材料的出现及电力电子技术的发展，永磁同步电机成本开始降低，控制更易实现，其应用范围也逐步向工业和民用领域拓展。90年代至今，永磁材料、电力电子以及永磁同步电机设计与开发等技术都有了显著进步，永磁电机的应用范围进一步扩大，成为工业与民用领域高性能驱动系统的*选和主要发展方向[3]。
目前，永磁同步电机的应用遍及航空航天、国防、工业生产和日常生活的各个领域。在国防和航空航天领域，永磁同步电机可以满足系统对电机控制精度、稳定性、转矩脉动、响应速度、速度平稳性、低速性能、宽范围运行能力等方面较高的控制要求。在高档数控机床和机器人领域，永磁同步电机及其高性能伺服运动控制系统是其核心基础。在先进轨道交通装备领域，高性能永磁同步牵引电机代替异步牵引电机作为电力机车传动装置是未来发展的趋势。永磁同步电机传动系统高效率、零污染电能转化性能，在公共交通、工业制造、新能源汽车等领域对节能环保将起到至关重要的贡献作用。
1.2永磁同步电机控制技术分类及研究现状
随着电力电子技术和微处理器技术的快速发展，永磁同步电机控制技术不断完善。目前研究比较成熟且得到广泛工业应用的两类**控制方案是基于磁场定向的矢量控制策略和直接转矩控制策略。永磁同步电机在本质上是非线性的控制对象。在实际应用过程中，电机的参数往往会实时变化，并且存在外部干扰，而**的控制方法难以克服非线性、参数变化、外部扰动等因素的影响。现代控制策略和智能控制理论考虑控制对象参数变化，以及各种非线性因素的影响，具有不依赖对象模型、鲁棒性强的特点，因此被越来越多地应用到永磁同步电机控制中。
1.矢量控制
矢量控制策略作为永磁同步电机的**控制方法之一，由Hass和Blaschke在20世纪70年代提出，是目前实际应用中*成熟、*广泛的永磁同步电机控制策略，能够满足对速度和电流的精确控制，具有优异的稳态性能。其基本原理是，通过将电机变量从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，采用比例积分控制器等电流控制器和脉冲宽度调制（pulsewidthmodulation，PWM)模块产生电压信号来控制电机。矢量控制方法利用坐标变换对转矩和磁链的控制实施解耦，实现类似直流调速的动静态控制，成为跨时代的主流控制策略，被以西门子为代表的企业大范围应用于永磁同步电机的调速驱动系统[5]。
在电机控制领域中，矢量控制又称磁场定向控制。根据选择的定向磁场的不同，磁场定向控制可分为转子磁场矢量定向、定子磁场矢量定向和气隙磁场矢量定向。对于永磁同步电机，由于转子永磁体磁链恒定，一般采用转子磁场定向控制。根据控制目标的不同，磁场定向控制的具体实现方法又可分为以下几类。
(1)id=0控制。该方法以保持永磁同步电机直轴电流等于零为控制目标，并以此消除直轴电枢反应。此时，无论对于凸极式还是隐极式永磁电机，电机转矩仅与交轴电流成正比，控制结构简单。此方法的不足之处是，电机功率因数会随着负载转矩的增大而减小，对逆变器容量的要求较高。
(2)最大转矩电流比（maximumtorqueperampere，MTPA)控制。该方法的控制目标是利用*小的定子电流输出*大的电磁转矩。由于表贴式永磁同步电机的匈轴电感基本相同，因此转矩表达式中不包含磁阻转矩，而内置式永磁同步电机的dq轴电感不等，在转矩表达式中就会出现一部分磁阻转矩。通过一定的控制方式可以利用该磁阻转矩使输出同等转矩时的定子电流达到*小，进而提高电机的效率。该方法称为*大转矩电流比控制。
1.2永磁同步电机控制技术分类及研究现状
(3)单位功率因数控制。该方法的控制目标是保持电机功率因数为1，通过控制电机直、交轴定子电流分量实现电机的高功率因数运行，降低对逆变器容量的要求。该方法的不足之处是，永磁同步电机的*大输出转矩有所降低。
(4)恒磁链控制。该方法的控制思想是，通过控制定子直、交轴电流分量使电机定子磁链和转子永磁体磁链对应到定子绕组中的磁链相等。该方法可以获得较高的功率因数，但是同样存在*大输出转矩受限的问题。
2.直接转矩控制
直接转矩控制也是永磁同步电机**控制策略之一。与矢量控制不同，直接转矩控制可以省略旋转坐标变换和电流环控制等复杂的中间环节，直接对电机转矩进行控制，具有简化的控制结构以及快速的瞬态响应。其基本原理是，根据转矩和定子磁链的参考值与估计值之间的控制误差，通过开关表直接选择*优电压矢量，直接控制逆变器的开关状态，从而使转矩误差和定子磁链误差都维持在预期的范围之内。
在永磁同步电机直接转矩控制的实现过程中，*先测量电机定子电流，获得电机定子磁链和转矩的实际值，并确定定子磁链所处扇区。然后，将定子磁链和转矩的实际值与参考值比较，经过定子磁链和转矩滞环比较器得到输出结果，结合定子磁链所处扇区，在电压矢量表中选择合适的电压矢量，控制定子磁链幅值和相角的变化，实现对电机转矩的控制。
传统直接转矩控制的优点主要有，直接在静止坐标系下进行控制，无须坐标变换；对转子位置信息要求不高，便于实现无速度传感器控制；电机参数敏感度低，系统鲁棒性高；直接将转矩作为控制对象，省去电流控制等中间环节，具有较好的动态控制性能等。但是，传统直接转矩控制采用滞环比较器，导致电机转矩和定子磁链脉动较大，开关频率不恒定。针对传统直接转矩控制的不足，国内外研究学者在对电压矢量表改进、将直接转矩控制与空间矢量脉冲宽度调制（spacevectorpulsewidthmodulation，SVPWM)相结合，以及将直接转矩控制与智能控制算法相结合等方面提出多种方法。
3.现代控制理论
永磁同步电机在正常驱动工作过程中不可避免地会受到内外扰动的影响。具体来说，永磁同步电机驱动系统的扰动可以分为三个部分。**部分是在系统建模中难以准确建模的因素，如磁链谐波、逆变器死区效应，以及输出信号的测量误差等。第二部分是参数的不确定性，例如机械转动惯量在特殊应用场合下的时变特性，以及定子电感的计算误差。第三部分是以负载转矩突变为主的外部扰动。上述扰动会干扰电机参考指令跟踪控制器的控制动作，使永磁同步电机控制策略无法获得期望的控制效果[6，7'。现代控制理论和智能控制策略能够提升永磁同步电机的控制性能，有效抑制扰动对永磁同步电机的影响。目前流行的控制策略有模型参考自适应控制、自校正自适应控制、滑模变结构控制等。
自适应控制只需被控对象一个合适的参考模型，无须精确模型，能实时对被控对象进行在线辨识，可以克服参数变化带来的影响。自从提出到现在，自适应控制已经发展成现代控制理论中应用比较广泛的控制方法分支。自适应控制在永磁同步电机控制系统中主要解决的问题是提高永磁同步电机控制系统的鲁棒性，克服各种抖动和参数变化的影响。但是，自适应控制也有自己的缺点，如在线辨识和校正需要的时间可能比较长，对一些变化较快的伺服系统，可能无法达到理想的结果。
滑模控制策略是由Emelyanov和Utkin等在20世纪60年代提出的。作为一种非线性控制策略，滑模控制策略与传统控制策略的本质区别在于控制的不连续性，即系统控制期间的切换操作不断改变系统结构特征。该方法对数学模型要求不严格、对参数变化和内外扰动不敏感、响应速度快、算法简单、易于使用，可以为复杂的工业控制提供更好的解决方案，因此在永磁同步电机控制领域得到广泛的应用。有学者将滑模控制策略应用到直接转矩控制策略中，提出一种双滑模控制策略，可以有效降低磁链和转矩脉动，提高系统的鲁棒性。
上述自适应控制和滑模控制策略在永磁同步电机领域的应用*为成熟、广泛。除此以外，现代控制理论中还包括以模糊控制和神经网络控制为代表的智能控制算法，以及自抗扰控制等。越来越多的学者将此类新型控制算法与传统控制策略相结合，以此来进一步提升控制性能，并获得令人满意的成果。
4.无位置传感器控制
在永磁同步电机的传统控制策略中，无论是矢量控制，还是其他控制策略系统的转速信息都需要通过光电编码器等位置或速度传感器来获得，以实现闭环控制。但是，传感器增加了电机的体积和转动惯量，使系统的可靠性降低，而且传感器的灵敏度和分辨率易受应用环境中温度、电磁噪声的干扰，使电机的控制精度降低。
无传感器控制技术可有效地解决机械传感器带来的各种缺陷’对提高系统可靠性和环境适应性具有重要意义，已成为永磁同步电机控制技术领域的研究热点。无传感器运行控制系统是通过直接计算、状态估计等方法，从电机绕组电压、电流等电信号中提取转子的位置和速度信号’并将其应用到闭环控制系统中，从而取代传感器。近年来，永磁同步电机的无位置传感器控制技术不断发展，逐渐形成多种转子磁链位置的估算和观测，以及确定转子初始位置的方法。
5.容错控制
永磁同步电机控制系统是由具备*立功能的各种单元构成的复杂系统。目前，绝大部分的控制理论都是建立在假设系统各组成部分都正常工作的基础上。然而，当永磁同步电机发生失磁故障、断路故障、短路故障、逆变器故障时，若不根据故障状态设计相应的容错控制策略，那么电机系统的安全运行将受到威胁[8]。
失磁故障是永磁同步电机的常见故障。与异步电动机等电励磁电机相比，永磁同步电机*大的问题在于永磁材料存在失磁风险。永磁体的磁场波动或失磁都会直接导致电机发热异常和转矩性能变差。对此问题，许多学者提出实时失磁检测方法，通过分析永磁体发生失磁故障对电机运行状态的影响，提出相应的容错控制算法，实现永磁同步电机在失磁故障情况下的稳定运行。
由于环境恶劣、供电不稳、绕组输出端脱落等问题造成的电机绕组开路是永磁同步电机常见的故障，一旦电机绕组发生故障断开，转矩就不再平稳，同时非故障相绕组的电流急剧增加，电机控制性能下降，长时间运行甚至可能烧毁电机。针对永磁同步电机断相故障研究容错控制方法，通过重新分配非故障相电流的幅值与相位，设计控制器抑制转矩脉动，可以保证电机驱动系统安全稳定运行。
永磁同步电机控制系统常采用的功率变换器是电压源型逆变器，其中的功率半导体开关器件是极易发生故障的薄弱环节。尽管人们为提高驱动系统的可靠性采取降额设计或使用并联冗余元件等方法，但这会使系统成本过高，并且仅适用于空间条件许可的场合。针对此问题，国外有学者提出逆变器故障容错控制技术。典型的控制策略是直接移除包含故障开关的整个故障逆变器支路，然后对断相故障实施相应的容错控制策略。近几年，有学者提出充分利用故障逆变器支路中剩余的健康开关，使系统性能提升的容错控制策略。容错控制使驱动系统功率变换器在发生故障的情况下，能够自动补偿故障的影响来维护系统的稳定性，尽可能地恢复系统故障前的性能，从而保证系统稳定可靠地运行。