永磁同步电动机控制技术

    永磁同步电动机的工作原理与交流感应电动机相似，逆变器把电源输出的直流电变换为可变的三相正弦波电压，对永磁同步电动机提供电能，应用于交流感应电动机的控制技术同样适用于永磁同步电动机。

    永磁同步电动机的转矩可以分为两个部分：一是永磁体产生的磁链与定子电流转矩分量作用后产生的永磁转矩，二是转子的磁凸极效应使定子电流励磁分量与转矩分量产生的磁阻转矩。这两部分转矩都与定子电流转矩分量成正比，也就是说，可以通过控制定子电流转矩分量的大小控制电动机的转矩，这一电流与直流电动机的电枢电流相对应，因此永磁同步电动机的转矩控制可以转化为定子电流转矩分量的控制。另外，定子电流励磁分量会影响电动机定子磁链的大小，可以通过定子励磁分量实现弱磁升速的效果，这一点与直流电动机的励磁电动机类似。所以，永磁同步电动机与直流电动机有很大的相似性。

    1. 永磁同步电动机矢量控制技术

    磁场定向矢量控制技术的核心是，在转子磁场旋转坐标系中针对定子电流的励磁电流分量和转矩电流分量分别进行控制，并且采用经典的PI调节器，系统呈现出良好的线性特性。可以按照经典的线性控制理论进行控制系统设计，逆变器的控制采用较成熟的 SPWM、SVPWM等技术。磁场定向矢量控制技术相对成熟，动态、稳态性能较好，所以得到了广泛的实际应用。永磁同步电动机矢量控制调速系统如图5-10所示。

    图5-10 永磁同步电动机矢量控制调速系统

    图5-10中的位置传感器检测出转子位置后，一方面提供给矢量控制旋转坐标变换使用，另一方面进行微分计算得到电动机的角速度ω，电动机的实际角速度与角速度指令ωref经过速度调节器ASR计算后得到系统的转矩指令值。图5-10中的查表单元根据车用永磁同步电动机电流控制策略确定d q、 轴定子电流的指令值idref、iqref。对电机三相定子电流进行检测后通过2s-2s、2s-2r变换后可以得到d q、 轴定子电流的实际值。随后通过两个电流调节器ACR分别针对两个电流分量实施闭环控制，ACR的输出为d q、 坐标轴的定子电压指令值。经过空旋转坐标变换后得到静止坐标系的定子电压指令值uαref、uβref ，该电压值经过空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）后可以得到三相逆变器六个开关器件的开关信号，从而对永磁同步电动机实施高性能矢量控制。

    2. 永磁同步电动机直接转矩控制

    直接转矩控制技术首先在交流感应电动机控制系统中应用，后来逐渐推广到弱磁区域以及同步电动机的控制中。永磁同步电动机直接转矩控制系统如图5-11所示，从系统结构上看，它与感应电动机的直接转矩控制系统比较相似，其控制原理是基于电压型逆变器输出的电压矢量对同步电动机定子磁场和电动机转矩的控制作用上。

    图5-11 永磁同步电动机直接转矩控制系统

    3. 永磁同步电动机无传感器控制技术

    永磁同步电动机可以采用他控式和自控式变频调速，鉴于新能源汽车对于转矩控制性能与传动系统稳定性的要求都很高，一般都采用自控式变频调速。永磁同步电动机的自控式调速系统需要使用高性能的转子位置传感器为控制系统提供转子位置信号。

    目前，无位置传感器技术已经比较成熟并得以实际应用。采用该技术可以省去传统的位置传感器，减小电动机的体积和成本。对于采用位置传感器的电动机控制系统，采用无传感器控制技术不仅可以对位置传感器提供的信号进行校验，检测位置传感器是否正常工作，并且可以在位置传感器故障时提供准确的电动机转子位置信号，从而提高电动机控制系统的可靠性。

    永磁同步电动机无传感器技术主要有两个发展阶段：第一代采用无传感器矢量控制技术的交流电动机经过近10年的研究和原型机试验已经出现在市场上。第一代无传感器电动机的调速精度不高，可以正常工作的速度范围也有限，在低速、零速时，机械特性很软且误差很大，无法进行调速，第一代无传感器技术还很不完善，因此限制了它的使用范围。现在正在研制的是第二代无传感器技术，预计将能有更高的精度且在零速时也能进行完全的转矩控制，可与传统的矢量控制技术相媲美。第二代无传感器技术预期的应用领域与第一代无传感器技术基本相同，但有更好的动态特性。

    无传感器控制技术的基本思想都是通过检测电压、电流，引用相应控制理论实现转子信息的估计。但尚无一种永磁同步电动机无传感器控制可实现永磁同步电动机系统全速运行。一方面由于高频信号注入法在零、低速领域的绝对优势，使其有望成为永磁同步电动机系统全速运行的一种方法，但是由于高频信号注入法本身带来的一些问题尚需更进一步的研究，是众多学者专攻的一个方向。另一方面人们基于观测器分析方法引入现代控制理论如自适应控制、变结构控制以及非线性控制形成众多无传感器控制方法，每一种控制方法都有其自身优点，同时也存在一些问题，单一的控制很难取得理想的控制效果，将各种控制互相渗透和复合以便更好地提高无传感控制性能是未来无传感器控制技术的发展方向。