第1章 绪论
随着电力电子技术、微处理器、半导体器件、计算机技术以及控制理论的快速发展，自动化生产方式及设备在我国现代工业生产、航空航天、重大科研装备、机器人、电动汽车及轨道交通等领域得到了广泛的普及和应用。大力推进先进制造业的优化升级是我国发展规划中的重要组成部分，以电机及其控制系统为核心的机电伺服控制系统在自动化设备的发展过程中扮演着至关重要的角色。近年来，矢量控制技术日渐成熟，基于永磁同步电机的交流伺服控制系统因其效率高、调速性能好、可靠性高等优势逐渐取代了传统的直流伺服控制系统，成为机电伺服控制系统的主流。因此，研究和推广永磁同步电机的先进控制方法，符合我国高质量发展理念，对于进一步促进多产业领域自动化设备升级具有重要意义[1]。
1.1 永磁同步电机概述
永磁同步电机于20世纪50年代出现，它的工作原理与普通的电励磁同步电机相同。其特点在于，利用永磁体励磁替代励磁绕组励磁，取消导电环和电刷，简化了电机的结构，进而降低加工和装配复杂度，提高了电机的可靠性。此外，由于电机中没有励磁电流，也避免了励磁损耗，具有较高的工作效率。随着电力电子器件、微处理器、永磁材料以及电机驱动控制技术的发展，20世纪70年代永磁同步电机以其结构简单、转矩惯量比高、功率因数高、可靠性高等优势开始应用于交流变频调速系统，并获得了良好的转矩和调速性能。目前，永磁同步电机正朝着大功率、高性能和智能化的方向发展。
1.1.1 永磁同步电机的分类
按照反电动势波形不同，永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)可以分为两类：具有梯形波反电动势的无刷直流电机(brushless direct current motor，BLDCM)和具有正弦波反电动势的正弦波永磁同步电机，示意图如图1.1所示。
无刷直流电机用永磁体转子取代有刷直流电机的定子磁极，并将原直流电机的电枢变为定子。有刷直流电机是依靠机械换向器将外加的直流电转换为绕组内近似梯形波的交流电，而无刷直流电机将方波电流(实际是梯形波电流)直接输入定子，将原直流电机定子和转子的位置进行对换，并取消机械换向器和电刷，因此称为永磁无刷直流电机。正弦波永磁同步电机则用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组，以电子换向实现无刷运行，取消了励磁线圈、滑环和电刷。由于定子绕组中感应电势的波形是正弦波，所以要求输入定子的电流仍然是三相正弦波形[2]。如无特殊标注，后续所讲永磁同步电机均指正弦波永磁同步电机。
根据转子结构不同，永磁同步电机可分为表贴式永磁同步电机(surface permanent magnet synchronous motor， SPMSM)和内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor，IPMSM)，如图1.2所示。永磁同步电机转子结构不同，转子磁路也不同，因此其制造工艺、运行性能以及应用场合也存在差别。
表贴式永磁同步电机的永磁体一般呈瓦片状紧贴在转子铁心的外沿，如图1.2(a)所示，电机d轴、q轴磁路对称，其本质上是一种隐极式电机。这种转子结构便于对永磁磁极进行优化设计，以实现气隙磁密波形趋于正弦分布。正弦分布的气隙结构能够有效减小磁场的谐波，进而改善电机的运行性能。内置式永磁同步电机的永磁体位于转子铁心的内部，如图1.2(b)所示，其本质上是一种凸极式电机。表贴式永磁同步电机能够获得线性度较好的转矩电流，且表面式结构可以形成径向磁通，减小所需转子直径，进而降低电机转子质量。目前，表贴式永磁同步电机在工业上的应用较为广泛。
1.1.2 永磁同步电机的特点
永磁同步电机具有如下优点：
(1)体积小、质量轻。若要获得相同的容量，永磁同步电机可比异步电机小得多。体积和重量的降低，使得永磁同步电机在许多特殊场合都能得到良好的应用。
(2)功率因数大、能源利用率高。永磁同步电机不需要励磁电流，三相定子的铜耗较小，因而具有较高的功率因数。
(3)动态响应性能好。永磁同步电机的磁通密度高，同时转动惯量又相对较小，因此电机的转矩惯量比高，可获得较快的动态响应速度。
(4)可靠性高。永磁同步电机取消了机械换向电刷，避免了机械换向带来电火花和非线性力矩扰动的影响，运行更为可靠。
(5)转速同步性高、调速范围宽。对于要求多台电机同步运行的场合，永磁同步电机具有很大的应用优势。
1.1.3 永磁同步电机的工作原理
永磁同步电机主要由定子和转子两部分组成：定子部分包括定子铁心和三相绕组，其结构与普通的电励磁同步电机基本一致，它们在电机工作时处于静止状态；转子部分包括转子永磁体、转子铁心和转轴等，转子部分用永磁体来替代传统的电励磁绕组，并取消了励磁线圈、滑环和机械电刷等换向装置，它们在电机工作时处于转动状态。
典型的永磁同步电机的三相绕组呈三相对称分布，且三相绕组在空间相差120°，如图1.3所示。工作时，三相绕组中分别通入相位相差120°的交流电。假定先给红色线圈通电，那么电流从定子绕组中流过会产生类似条形磁铁的磁场，中间的转子永磁体由于磁极固定且同性相斥异性相吸，定子产生的旋转磁场就会带动转子绕中心轴旋转。当转子旋转到下一个绕组时，刚好下一个绕组的磁极和转子磁极相反，转子受力继续旋转。定子绕组上电流周期变化，转子持续旋转，*终转子转速和旋转磁场转速相等，电机进入稳定运行状态。
1.2 永磁同步电机的应用
永磁同步电机在体积、效率、功率密度、可靠性等多个方面表现出了明显的优势。近年来，随着电力电子器件、材料科学、电机设计以及控制理论等的快速发展，永磁同步电机获得了良好的应用性能，受到了众多领域工程技术人员的青睐。本节简要介绍永磁同步电机在数控车床、新能源电动汽车、电梯驱动、工业机器人以及雷达、光电望远镜设备等领域的应用。
1.2.1 在数控车床领域的应用
数控机床是工业生产过程中的重要机械加工设备，它是集机械、电子、信息和控制技术于一体的典型自动化设备。目前，数控机床的种类有很多，按照加工工艺不同，数控机床可分为数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床等。其中，数控车床主要用于完成轴类、盘套类等回转体零件的加工，是使用*为广泛的数控机床之一。
在数控车床的使用过程中，操作人员将程序代码输入数控系统，数控车床便能够自动完成直线、锥面、圆弧和螺纹等多种工序的切削加工。典型的三轴数控车床的简化结构示意图如图1.4所示，数控系统通过伺服电机对刀具转台以及工件等的运动轨迹进行规划和控制，*终实现对机械件的切削加工[3]。
典型的三轴数控车床有主轴、X轴和Z轴。其中，主轴为旋转轴，主轴电机驱动主轴旋转带动工件旋转。此外，主轴的旋转位置需与进给系统保持精确同步，这样才能实现对工件上特定位置的准确加工。X轴和Z轴属于刀具进给系统，轴上伺服电机旋转运动，通过传动结构带动刀具转台完成刀具的进给。目前，鉴于永磁同步电机的优点，数控车床的主轴伺服系统正逐步采用基于永磁同步电机的交流伺服控制系统，以实现高精度的机械件加工。
1.2.2 在新能源电动汽车领域的应用
随着现代工业的迅猛发展，世界各国对能源的需求快速增长，随之而来的能源危机、环境污染等问题也日渐显现。在传统燃油汽车消耗大量石油能源并对环境产生一定污染的背景下，各国正积极推动新能源电动汽车的研发、布局和普及。电动汽车以电能作为整车的部分或全部动力来源，用电机来驱动车辆运动，通过消耗电能来替代对石油这类不可再生能源的直接消费。电动汽车具有起步快、效率高、能耗低等优点。
目前，新能源电动汽车正处在高速发展和大范围普及的阶段，通常所讲的电动汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等利用电机来驱动的汽车。电动汽车的核心是动力电池、电机和电控系统。其中，电机及其驱动控制系统在整车系统中发挥着至关重要的作用，直接影响车辆的动力性能和驾驶舒适度。电动汽车的主流驱动电机是永磁同步电机和交流异步电机。永磁同步电机结构简单、体积小、重量轻、运行可靠，且不需要励磁电流，具有较高的功率密度，非常利于电动汽车的能量转换。永磁同步电机凭借着自身的优点，正成为电动汽车的主力驱动电机。
根据电动汽车的动力驱动结构方案不同，电机及其驱动控制系统在车身的位置分布也不尽相同，某电动汽车及其驱动系统分布结构示意图如图1.5所示。电机及其驱动控制系统一般需保证汽车具有足够大的启动转矩、良好的启动和加减速性能，以满足频繁启停、爬坡等多种工况；在受到外界干扰时，需迅速调整电机输出的转矩和转速，由此来保证电动汽车良好的驾驶性能。
1.2.3 在电梯驱动领域的应用
电梯在现代高层建筑中扮演着非常重要的角色，属于特种设备。随着现代高层建筑不断增加，电梯的数量也在成比例提高。电梯的核心部件是曳引电机及其驱动控制系统，它们对电梯的舒适性和安全性具有决定性作用。曳引电机是电梯驱动系统的主要执行部件，采用的曳引电机及驱动控制方式不同，电梯的运行性能、舒适度和能耗效率、噪声等均会有很大的不同[4]。采用交流电机调速系统的电梯具有能耗较低、精度高、可靠性高、舒适度好等优点，目前是电梯驱动控制领域的主流。
典型的电梯曳引系统结构示意图如图1.6所示。电梯曳引系统主要由曳引电机、曳引轮、导向轮、轿厢、对重、对称补偿装置等组成，曳引轮直接固定在曳引电机上。电梯的拖动，实际上是一个基于曳引电机的位置和速度伺服控制系统，
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