永磁同步電機(jī)控制策略綜述與展望＊

呂從鑫，汪波，陳靜波，張蕊萍，董海鷹

（1．蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2．蘭州萬里航空機(jī)電責(zé)任有限公司，甘肅 蘭州 730070；3．蘭州交通大學(xué)新能源學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

隨著近年來科技的飛速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)的控制性能要求也越來越高，其中永磁同步電機(jī)因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、質(zhì)量體積較小、效率高和較好的魯棒性能而快速發(fā)展，同時(shí)由于近年來稀土材料大量運(yùn)用于永磁體的研究，永磁同步電機(jī)的永磁體效能也明顯提高。永磁體在經(jīng)過充磁后可以形成恒定的磁場(chǎng)，具有良好的勵(lì)磁特性，并且永磁體比電勵(lì)磁質(zhì)量更輕、穩(wěn)定性更強(qiáng)、損耗更低。尤其是近年來電力電子技術(shù)的發(fā)展，更是讓永磁同步電機(jī)的控制得到飛速發(fā)展。永磁同步電機(jī)的控制已成為近年來電機(jī)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。本文根據(jù)當(dāng)前的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)永磁同步電機(jī)的控制策略進(jìn)行了敘述和總結(jié)[1]。

1 永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)控制策略

雖然永磁同步電機(jī)在其結(jié)構(gòu)、功率因數(shù)以及可靠性等方面有很大的優(yōu)勢(shì)，但其弱磁能力比較差，且調(diào)速范圍很小不容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精準(zhǔn)控制。而通過對(duì)永磁同步電機(jī)控制策略的研究，可以大大提高其控制性能。下面先對(duì)永磁同步電機(jī)的傳統(tǒng)控制策略進(jìn)行綜述。

1．1 矢量控制

矢量控制也稱為磁場(chǎng)定向控制。由于在永磁同步電機(jī)輸入交流電時(shí)會(huì)在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和耦合磁場(chǎng)，這會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行并給永磁同步電機(jī)的控制帶來新的問題[2]。而矢量控制技術(shù)能夠利用兩次坐標(biāo)變換將控制簡(jiǎn)單化。矢量控制要經(jīng)過Clark變化和Park變化，先通過Clark變換將電機(jī)被控量從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系，然后通過Park變換將電機(jī)被控量從兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。通過上述步驟，可以把復(fù)雜的交流電機(jī)控制轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的直流電機(jī)控制[3－4]。

針對(duì)永磁同步電機(jī)，采用矢量控制法將勵(lì)磁電流定位到轉(zhuǎn)子磁極上，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流，獲得最佳轉(zhuǎn)矩。在瞬態(tài)過程中，無論負(fù)荷驟增還是驟降，矢量控制都可以根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓、頻率和相位，從而迅速將瞬態(tài)過程恢復(fù)平衡[5]。矢量控制使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力更好，同時(shí)提高了系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，使電機(jī)調(diào)速范圍更寬[6]。所以，矢量控制策略目前在永磁同步電機(jī)控制領(lǐng)域依然被廣泛使用。

但是，矢量控制增加了運(yùn)算系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高了運(yùn)算量；矢量控制對(duì)控制器的要求高，因此需要速度更快的DSP；轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算容易受到轉(zhuǎn)子電阻的影響。

為解決轉(zhuǎn)速偏差問題同時(shí)保證電機(jī)在運(yùn)行時(shí)更加平穩(wěn)，可以將具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)辨識(shí)以及自適應(yīng)功能等功能強(qiáng)大的變頻驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于矢量控制，或?qū)⑹噶靠刂婆c專用數(shù)字化自動(dòng)電壓調(diào)整器控制技術(shù)結(jié)合用于永磁同步電機(jī)的控制。文獻(xiàn)[7]提出一種矢量位置觀測(cè)器，用于檢測(cè)基于低分辨率霍爾傳感器的永磁同步電機(jī)中的高速轉(zhuǎn)子位置，使得在矢量跟蹤校正環(huán)路無法正常操作的零速和零點(diǎn)左右也能提供有用的信息。文獻(xiàn)[8]提出的無速度傳感器矢量控制方法解決了低通濾波器和計(jì)算延遲問題。文獻(xiàn)[9]提出的基于磁鏈狀態(tài)觀測(cè)器和積分反饋速度估計(jì)的無傳感器矢量控制方法利用相位與轉(zhuǎn)速之間積分和推導(dǎo)的內(nèi)在物理關(guān)系估算轉(zhuǎn)子速度。文獻(xiàn)[10]提出了一種表貼式永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的低復(fù)雜性雙矢量模型預(yù)測(cè)電流控制方法，有助于改善永磁同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)性和動(dòng)態(tài)性。

1．2 恒壓頻比控制

恒壓頻比控制策略（VVVF）也稱為恒磁通控制。恒壓頻比控制是一種基于轉(zhuǎn)速開環(huán)的控制方法，這種控制方法控制效果并不理想，通常用于不需要電機(jī)擁有極高控制性能的場(chǎng)合中[11]。與傳統(tǒng)控制策略相比，恒壓頻比控制結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且制造成本較低，能夠用于控制要求和成本預(yù)算不高的情況中。該方法的基本思想是，當(dāng)電源的供電頻率發(fā)生變化時(shí)，從逆變器輸出的電壓也會(huì)隨之改變，這樣就可以使得電機(jī)的磁通維持在恒定值[12]。

對(duì)于永磁同步電機(jī)而言，恒壓頻比控制能夠適應(yīng)大范圍調(diào)速系統(tǒng)的要求；同時(shí)，恒壓頻比控制策略可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械性能的平穩(wěn)升降，而且在調(diào)節(jié)電機(jī)速度時(shí)不會(huì)增加轉(zhuǎn)差功率消耗，具有較高的工作效能，提高了功率因數(shù)。

然而，恒壓頻比控制方法在電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能方面卻很不理想，只能對(duì)電機(jī)的氣隙磁通進(jìn)行調(diào)節(jié)，卻無法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振蕩和失步等問題，因此達(dá)不到高精準(zhǔn)電機(jī)控制的目標(biāo)。為此可以通過結(jié)合負(fù)載角閉環(huán)控制抑制恒壓頻比控制下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，同時(shí)為解決恒壓頻比控制策略中的失步和運(yùn)行效率低等問題，可以設(shè)計(jì)合適的功角閉環(huán)器。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于卡爾曼濾波估計(jì)方法、絕對(duì)式光電編碼器和霍爾位置傳感器對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)功角檢測(cè)，該方法提高了控制的精確度和可靠性，并且具有很好的靜動(dòng)態(tài)性能和魯棒性。文獻(xiàn)[13]提出了一種采用迭代學(xué)習(xí)控制法對(duì)電機(jī)的恒壓頻比控制中產(chǎn)生的周期性轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行抑制，實(shí)現(xiàn)了在不依靠已有的先驗(yàn)知識(shí)和系統(tǒng)參數(shù)的情況下有效地降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高電機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性。

1．3 PID控制

PID控制是比較傳統(tǒng)的線性控制策略，它具有較高的魯棒性和較好的運(yùn)算能力，由于調(diào)節(jié)方便，魯棒性好，在現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝中得到了廣泛的使用。PID由比例、積分、微分三個(gè)部分組成。PID控制器通過比例、積分和微分的組合運(yùn)算求得控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制[14]。

PID控制使永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能都有了較大提升，并使電機(jī)擁有更為準(zhǔn)確的控制精度[15]，同時(shí)PID控制提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制能力，可以自動(dòng)調(diào)整控制器的參數(shù)，縮短了調(diào)試時(shí)間，提高了電機(jī)在各種負(fù)荷情況下的冗余能力[16]。

然而，現(xiàn)實(shí)情況中，被控制對(duì)象往往具有非線性、控制系統(tǒng)復(fù)雜多變、時(shí)變不確定性和易受外界擾動(dòng)影響等特征，從而導(dǎo)致簡(jiǎn)單的PID控制性能難以達(dá)到電機(jī)控制要求，因此PID控制與各種其他控制相結(jié)合形成智能PID控制是目前的發(fā)展趨勢(shì)。文獻(xiàn)[17]提出了一種永磁同步電機(jī)抑制電流諧波與PID控制相結(jié)合的方法，該方法不僅可以抑制電流諧波，還可以降低過沖和推力紋波。文獻(xiàn)[18]提出了一種采用專家PID控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，提高了電機(jī)的響應(yīng)速度、動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力，降低了電機(jī)參數(shù)變化、負(fù)載擾動(dòng)等因素對(duì)電機(jī)控制性能的影響，從而對(duì)大負(fù)載擾動(dòng)進(jìn)行了有效抑制。文獻(xiàn)[19]為了改善電機(jī)控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)性能，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用于電機(jī)的PID調(diào)速控制，該方法不僅滿足上述要求還使系統(tǒng)具有較好的魯棒性。文獻(xiàn)[20]提出了一種基于遺傳算法與模糊PID復(fù)合控制的電機(jī)調(diào)速研究，該控制方法具有更加穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和三相電流輸出，且系統(tǒng)波動(dòng)更小，擁有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2 永磁同步電機(jī)現(xiàn)代控制策略

2．1 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制是一種直接對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制的方法，該方法不需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，可以省去復(fù)雜的解耦過程。直接轉(zhuǎn)矩控制方法使用定子坐標(biāo)系對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行運(yùn)算[21－22]，通過兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)（Bang－Bang控制）產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)整轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶颗c定子磁鏈幅值之間的角度，使轉(zhuǎn)矩的大小發(fā)生變化，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)直接、準(zhǔn)確的控制[23]。

采用直接轉(zhuǎn)矩控制的方法減小了外部參數(shù)變化對(duì)電機(jī)控制的影響，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性[24]。直接轉(zhuǎn)矩控制效率雖較矢量控制有所提升，但依舊存在很多缺點(diǎn)，比如電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)開關(guān)頻率低以及轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)較大等問題[25－26]。

未來直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展方向在于與無速度傳感器控制相結(jié)合的控制研究，定子電阻的變化，磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的改進(jìn)以及死區(qū)效應(yīng)的解決[27]。文獻(xiàn)[28]提出了一種基于離線近似方法的永磁同步電機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)非線性最優(yōu)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，在低速區(qū)域魯棒性、參考轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)，時(shí)間快、速度和轉(zhuǎn)矩紋波小，該方法改善了對(duì)電機(jī)的控制能力。文獻(xiàn)[29]提出了一種采用直接轉(zhuǎn)矩控制與恒定開關(guān)頻率相結(jié)合的控制方法，顯著降低了轉(zhuǎn)矩紋波，并且保持了經(jīng)典直接轉(zhuǎn)矩控制的幾乎所有優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[30]提出的基于混合狼優(yōu)化算法的滑模直接轉(zhuǎn)矩控制法在全局搜索能力和快速收斂方面表現(xiàn)出良好的綜合性能，并且實(shí)現(xiàn)了低轉(zhuǎn)矩紋波和穩(wěn)定的磁通跟蹤。文獻(xiàn)[31]提出了一種永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩?zé)o傳感器運(yùn)行優(yōu)化方法，為了改善電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和魯棒性同時(shí)降低磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，設(shè)計(jì)了改進(jìn)自抗擾控制器速度調(diào)節(jié)器，得到了較好的控制效果。

2．2 滑模變結(jié)構(gòu)控制

滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種非線性、不連續(xù)的控制策略?；谟来磐诫姍C(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，滑模變結(jié)構(gòu)控制可以連續(xù)切換運(yùn)行狀態(tài)，使系統(tǒng)按照滑模變結(jié)構(gòu)控制預(yù)先設(shè)定好的路徑運(yùn)行[32]。也可以說，滑模變結(jié)構(gòu)控制是按照系統(tǒng)的要求來進(jìn)行切換超平面的，而滑模變結(jié)構(gòu)的變結(jié)構(gòu)控制器的作用則是將該系統(tǒng)的狀態(tài)從超平面的外部轉(zhuǎn)換到超平面。在系統(tǒng)達(dá)到切換超平面時(shí)，滑模變結(jié)構(gòu)控制就會(huì)沿切面運(yùn)動(dòng)至初始位置，這一過程被稱作滑動(dòng)控制[33]。

對(duì)永磁同步電機(jī)而言，滑模變控制不需要知道電機(jī)具體的數(shù)學(xué)模型，只需要知道電機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)和參數(shù)的變化范圍即可?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制使得永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，且對(duì)參數(shù)擾動(dòng)反應(yīng)不靈敏，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，增強(qiáng)了永磁同步電機(jī)的跟隨性和魯棒性[34]。

滑模變結(jié)構(gòu)的控制優(yōu)勢(shì)在于其動(dòng)態(tài)特性和較好的魯棒性；其不足之處在于，滑模變結(jié)構(gòu)控制在平衡點(diǎn)的兩邊上下移動(dòng)并趨于平衡點(diǎn)，因此造成系統(tǒng)的抖振問題[35]。未來滑模變結(jié)構(gòu)控制趨向于與魯棒控制、自適應(yīng)控制、離散系統(tǒng)、積分系統(tǒng)等控制算法相結(jié)合。文獻(xiàn)[36]提出了一種采用矩陣變換器－PMSM的滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，這種方法對(duì)抑制電機(jī)電流因電網(wǎng)電壓擾動(dòng)而產(chǎn)生的波動(dòng)有很好的效果，并且使系統(tǒng)整體擁有很強(qiáng)的魯棒性。文獻(xiàn)[37]提出了一種基于逆變器死區(qū)特性的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制法，根據(jù)電機(jī)逆變器死區(qū)系統(tǒng)模型特點(diǎn)，使用自適應(yīng)滑模變控制算法，實(shí)現(xiàn)了死區(qū)補(bǔ)償和非線性控制，該方法具有較強(qiáng)的魯棒性，并且可以準(zhǔn)確完成位置跟蹤的任務(wù)。文獻(xiàn)[38]提出了一種具有積分操作開關(guān)表面的新型滑模控制器，利用自適應(yīng)算法估計(jì)不確定性的邊界，在系統(tǒng)參數(shù)變化和外部負(fù)載擾動(dòng)的時(shí)候具有較強(qiáng)的魯棒性。文獻(xiàn)[39]設(shè)計(jì)了一種積分型滑模變結(jié)構(gòu)控制器，該方法基于龍伯格線性觀測(cè)器設(shè)計(jì)了負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器，使得系統(tǒng)具有快速性、無超調(diào)并對(duì)負(fù)載擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

2．3 自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是不確定的，會(huì)隨著一些不確定的因素實(shí)時(shí)發(fā)生改變[40]。自適應(yīng)控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的控制參數(shù)或規(guī)則的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，其基本原理是不斷地測(cè)量被控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)并與期望的運(yùn)行指標(biāo)相互比較，根據(jù)與期望的運(yùn)行指標(biāo)的對(duì)比偏差做出相對(duì)應(yīng)的具體決策以改變對(duì)被控系統(tǒng)的控制參數(shù)，使系統(tǒng)運(yùn)行在比較好的狀態(tài)下[41]。自適應(yīng)控制包括三個(gè)基本步驟：先對(duì)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，然后根據(jù)識(shí)別到的參數(shù)進(jìn)行控制決策的修改，最后根據(jù)被修改后的控制指令改變控制系統(tǒng)。

自適應(yīng)控制在永磁同步電機(jī)的控制中表現(xiàn)出很好魯棒性和動(dòng)態(tài)性能，并且自適應(yīng)控制克服了各種抖振和參數(shù)變化的影響，在永磁同步電機(jī)的實(shí)際控制中具有較高的容錯(cuò)能力[42－43]。其缺點(diǎn)是根據(jù)反饋到的信息變更控制性能指標(biāo)使得運(yùn)行速度較慢，在線辨識(shí)和校正所需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，不能達(dá)到快速控制電機(jī)的目的[44－45]。

由于在實(shí)際工程應(yīng)用中自適應(yīng)控制無法進(jìn)行具體的數(shù)學(xué)建模，因此其參數(shù)無法確定，不可控因素以及外界干擾很多導(dǎo)致傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制不能滿足控制要求，因此自適應(yīng)控制需要與其他控制方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制性能的提升。如自適應(yīng)反推控制在不需要硬件的條件下，通過遞推計(jì)算虛擬信號(hào)，然后處理每一步誤差系統(tǒng)，最終得到控制信號(hào)，這種控制方式可以靈活選擇控制信號(hào)，顯著提高控制系統(tǒng)的控制性能[46]。自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制通過模擬人腦構(gòu)造出大量的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使該系統(tǒng)如同人腦一樣擁有強(qiáng)大的自學(xué)能力，這種控制方式能夠大大提高控制系統(tǒng)的性能，是一種具有良好發(fā)展?jié)摿Φ闹悄芑刂品绞絒47]。自適應(yīng)魯棒控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制都是用來處理不穩(wěn)定參量的控制方法，將兩種控制方式結(jié)合起來使用能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，使得控制性能更加卓越；自適應(yīng)魯棒控制通過不斷實(shí)時(shí)測(cè)量被控系統(tǒng)的輸入、輸出狀態(tài)等性能參數(shù)，按照一定的設(shè)計(jì)要求做出合適的控制決策以便對(duì)被控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)等進(jìn)行控制[48]。自適應(yīng)模糊控制用于永磁同步電機(jī)控制參數(shù)不確定的控制系統(tǒng)中，該控制方法不需要對(duì)負(fù)載未知的非線性伺服系統(tǒng)建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，只需要將控制算法模糊化即可，對(duì)永磁同步電機(jī)在復(fù)雜情況下的運(yùn)行有比較優(yōu)越的控制性能[49]。自適應(yīng)滑?？刂埔卜Q為自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制方式，滑?？刂破鞲鶕?jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)使得系統(tǒng)在預(yù)先設(shè)定好的軌跡上運(yùn)動(dòng)，自適應(yīng)滑?？刂撇皇芟到y(tǒng)參數(shù)和擾動(dòng)影響，因此能夠解決參數(shù)不確定和受到的干擾等問題，但滑?？刂圃谇袚Q控制時(shí)容易發(fā)生抖振現(xiàn)象[50]。自適應(yīng)優(yōu)化算法優(yōu)化了伺服系統(tǒng)控制器參數(shù)，解決了“參數(shù)過多，調(diào)節(jié)困難”的問題，極大地改善了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，減少了響應(yīng)超調(diào)量，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別的同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及跟蹤和抗干擾性能。文獻(xiàn)[51]提出的對(duì)于永磁同步電機(jī)的自適應(yīng)反推控制與自適應(yīng)徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合的控制方法，使得控制系統(tǒng)具有更好的位置跟蹤性和抗干擾性。文獻(xiàn)[52]提出了一種基于自適應(yīng)線性神經(jīng)元的電流諧波抑制方法，該方法提出的自整定電流諧波補(bǔ)償器不需要了解反電動(dòng)勢(shì)諧波分量和死區(qū)時(shí)間效應(yīng)，也不需要額外的硬件，但是可以產(chǎn)生更精確的補(bǔ)償電壓，有效抑制電流諧波。文獻(xiàn)[53]提出了一種基于干擾觀測(cè)器內(nèi)部模型的永磁同步電機(jī)魯棒自適應(yīng)電流控制，使得系統(tǒng)在參數(shù)變化的情況下具有較強(qiáng)的魯棒性。文獻(xiàn)[54]提出了一種基于速度自適應(yīng)魯棒控制的永磁同步電機(jī)電流諧波抑制技術(shù)，該方法所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)魯棒控制器沒有穩(wěn)態(tài)誤差，具有良好的參數(shù)魯棒性、快速響應(yīng)和低過沖，能夠抑制諧波之間的耦合效應(yīng)，消除速度變化對(duì)電機(jī)響應(yīng)的影響，使電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[55]提出了一種自適應(yīng)補(bǔ)償器永磁同步電機(jī)積分型連續(xù)滑?？刂?，該方法中設(shè)計(jì)的連續(xù)滑?？刂破鳠o抖振，且保證了閉環(huán)系統(tǒng)在參數(shù)不確定和擾動(dòng)下的有界，降低了滑模控制器增益，同時(shí)保證了系統(tǒng)漸進(jìn)收斂。文獻(xiàn)[56]提出了一種永磁同步電機(jī)自適應(yīng)模糊滑模魯棒無源控制，通過設(shè)計(jì)魯棒無源控制器提高了電流預(yù)測(cè)控制的魯棒性，設(shè)計(jì)模糊滑模軟切換控制器，實(shí)現(xiàn)軟切換連續(xù)控制，用自適應(yīng)模糊控制法削弱滑模抖振。文獻(xiàn)[57]提出的自適應(yīng)模糊分?jǐn)?shù)階滑?？刂撇呗跃哂嗅槍?duì)參數(shù)變換和外部擾動(dòng)的魯棒控制性和精確的跟蹤響應(yīng)。

3 永磁同步電機(jī)智能控制策略

3．1 模糊控制

模糊控制是基于模糊集理論、模糊語言和模糊邏輯等理論來實(shí)現(xiàn)的一種智能控制算法。模糊控制是指模擬人的模糊性思考與判斷以達(dá)到對(duì)受控對(duì)象的智能控制。模糊控制由模糊化、模糊推理和反模糊化三個(gè)過程構(gòu)成[58]。首先將專業(yè)人士的經(jīng)驗(yàn)歸納為模糊準(zhǔn)則，并對(duì)歸納后的模糊準(zhǔn)則進(jìn)行模糊處理，最后將模糊處理后的輸出值加入到執(zhí)行程序中[59－60]。

對(duì)于永磁同步電機(jī)而言，模糊控制以語言變量代替數(shù)學(xué)模型，控制原則易于理解和實(shí)現(xiàn)，且受外界干擾的影響被大大降低，魯棒性很強(qiáng)，同時(shí)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力，適合非線性時(shí)變系統(tǒng)的控制。但由于模糊控制對(duì)信息進(jìn)行了模糊處理，使得對(duì)系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確率下降，同時(shí)模糊控制很難消除穩(wěn)態(tài)誤差，因此無法實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的精準(zhǔn)控制[61－62]。

雖然目前對(duì)于模糊控制的應(yīng)用研究有了很大的成果，但是模糊控制的系統(tǒng)分析和理論研究還不夠深入透徹[63]，未來基于離散時(shí)間法、反推控制以及滑?？刂频哪：刂撇呗詫⑦M(jìn)一步改善永磁同步電機(jī)的控制性能。文獻(xiàn)[64]提出了一種采用模糊滑模觀測(cè)器對(duì)高速運(yùn)行的永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行觀測(cè)，利用模糊控制調(diào)節(jié)滑模增益，有效地降低了低速狀態(tài)下的抖振，并且能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到低速運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子位置，使系統(tǒng)擁有更好的可靠性，滿足了永磁同步電機(jī)調(diào)速范圍寬和反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)小的要求。文獻(xiàn)[65]提出了一種模糊控制與反推控制結(jié)合的永磁同步電機(jī)控制策略，明顯地改善了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速跟蹤性能，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)系統(tǒng)的完全解耦，該方法靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的反推參數(shù)，同時(shí)使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和良好的伺服性能。文獻(xiàn)[66]提出了一種基于離散時(shí)間法的永磁同步電機(jī)離散T－S模糊調(diào)速設(shè)計(jì)方法，該方法不依賴于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，在模型參數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的情況下具有良好的調(diào)速性能。

3．2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種仿照人類大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由許多神經(jīng)元相互連接而形成的智能控制方法，在一些較為復(fù)雜的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的辨識(shí)與控制功能[67]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制包含兩種模式，分別是學(xué)習(xí)模式和工作模式。其中學(xué)習(xí)模式是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法調(diào)整各個(gè)神經(jīng)元之間的聯(lián)接關(guān)系，這一步能夠讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值更符合實(shí)際情況。當(dāng)系統(tǒng)處于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作模式時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各神經(jīng)元之間的聯(lián)接關(guān)系無需改變，而此時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分類和預(yù)測(cè)的功能。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法首先對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整體進(jìn)行大量的采樣，再利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)算法對(duì)其權(quán)重進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制使得永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性、學(xué)習(xí)性、自適應(yīng)性以及容錯(cuò)能力，同時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與其他控制技術(shù)結(jié)合使得永磁同步電機(jī)在非線性、不確定性系統(tǒng)控制和系統(tǒng)辨識(shí)方面具有良好的性能[68]。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制能夠進(jìn)行自我學(xué)習(xí)優(yōu)化，快速找出最優(yōu)解并進(jìn)行自聯(lián)想等。但它也存在著很多缺陷，例如無法對(duì)推理的程序進(jìn)行說明，無法在數(shù)據(jù)不足的情況下向使用者提問，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無法正常工作。因?yàn)樗袉栴}都變成了數(shù)字，很可能會(huì)出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)等問題[69－70]。在今后的發(fā)展中，可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的發(fā)展趨勢(shì)分為兩個(gè)方向，一是通過神經(jīng)生理學(xué)和認(rèn)識(shí)科學(xué)對(duì)人腦思維模式、智能機(jī)理和計(jì)算機(jī)理論進(jìn)行研究；二是利用計(jì)算機(jī)仿真模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行并應(yīng)用到實(shí)際工程中的硬件實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[71]設(shè)計(jì)了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒速度控制器，確保了對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和定子磁通量變化的穩(wěn)健速度控制。文獻(xiàn)[72]提出了一種基于混合小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的位置跟蹤器，使得無論永磁同步電機(jī)中的參數(shù)和負(fù)載干擾如何變化，速度控制器都能夠提供強(qiáng)大的性能和精確的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3．3 容錯(cuò)控制

容錯(cuò)控制是指在電機(jī)運(yùn)行過程中某一部分系統(tǒng)功能失效的情況下，利用系統(tǒng)中多余的資源進(jìn)行容錯(cuò)，使得系統(tǒng)可以重新配置或者以某種方式降低一些其他不必要的性能，使該系統(tǒng)可以保持原控制要求的性能，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能[73]。容錯(cuò)控制包含主動(dòng)容錯(cuò)和被動(dòng)容錯(cuò)兩種控制方式。主動(dòng)容錯(cuò)控制是指當(dāng)系統(tǒng)控制發(fā)生問題后，通過對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)和修改。大部分的主動(dòng)容錯(cuò)系統(tǒng)都必須具備一個(gè)故障檢測(cè)子系統(tǒng)，并且在此基礎(chǔ)上需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，從而使其具有更好的控制效果[74]。被動(dòng)容錯(cuò)控制不需修改控制器的參數(shù)及體系架構(gòu)，與魯棒控制思想相似，被動(dòng)容錯(cuò)控制使整個(gè)控制系統(tǒng)在不需任何故障檢測(cè)裝置的情況下對(duì)故障具有較強(qiáng)的魯棒性[75]。

智能容錯(cuò)控制是指利用人工智能和容錯(cuò)控制的理論和方法通過對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)、缺陷自修復(fù)、故障補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)手段以保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行[76]。

容錯(cuò)控制和智能容錯(cuò)控制使得永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)在發(fā)生故障的情況下，能夠自動(dòng)消除故障的影響以維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性并盡可能恢復(fù)系統(tǒng)故障前的性能，但同時(shí)又有可能會(huì)破壞電機(jī)內(nèi)部其他功能的正常運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)的系統(tǒng)功能異常[77]。

容錯(cuò)控制未來的研究方向在于各種智能控制方式結(jié)合，研究在線重構(gòu)重建方法，提高系統(tǒng)的故障診斷速度進(jìn)而提高系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。文獻(xiàn)[78]提出了一種基于單滑模觀測(cè)器的無編碼器永磁同步電機(jī)電流傳感器容錯(cuò)控制策略，實(shí)現(xiàn)了相電流誤差構(gòu)造和轉(zhuǎn)子位置估計(jì)，受電機(jī)參數(shù)變化影響小，具有很強(qiáng)的魯棒性。文獻(xiàn)[79]提出了一種利用電流空間矢量誤差重建的電流傳感器無編碼器容錯(cuò)控制法，能夠快速實(shí)現(xiàn)傳感器的故障診斷和定位，并快速切換到相應(yīng)的容錯(cuò)控制策略，提高了系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)[80]提出將高頻率的方波信號(hào)輸入到電機(jī)控制系統(tǒng)中，使得無傳感器永磁同步電機(jī)在正常和故障條件下都有很好的低速無傳感器控制性能。

4 結(jié)論

綜上所述，永磁同步電機(jī)的控制策略根據(jù)實(shí)際工程需要有了巨大的發(fā)展，經(jīng)過對(duì)永磁同步電機(jī)各種控制策略的基本原理以及其在不同狀態(tài)下對(duì)電機(jī)的控制性能進(jìn)行總結(jié)和歸納，得出未來永磁同步電機(jī)控制策略的研究熱點(diǎn)如下：

（1）為解決永磁同步電機(jī)中功率開關(guān)器件串聯(lián)所引起的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，可以將多電平逆變器應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的控制，同時(shí)能降低共模干擾，改善電機(jī)運(yùn)行性能。

（2）無速度傳感器應(yīng)用于永磁同步電機(jī)，注入特定頻率的激勵(lì)并與其他控制算法相結(jié)合，獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速信號(hào)，進(jìn)一步研究永磁同步電機(jī)全速范圍的無速度傳感器控制。

（3）為增強(qiáng)算法的自適應(yīng)能力，可以研究更為穩(wěn)定高效的數(shù)字信號(hào)處理算法，使電機(jī)參數(shù)的變化對(duì)控制算法的影響更小。

（4）為提高系統(tǒng)的魯棒性和可靠性，將各種智能控制與傳統(tǒng)控制策略相結(jié)合，使永磁同步電機(jī)在更加復(fù)雜的環(huán)境下仍然能夠持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。

每種控制方法都有其優(yōu)點(diǎn)和不足，永磁同步電機(jī)控制的總體發(fā)展趨勢(shì)是將多種控制方法相互配合，向高效率、環(huán)保節(jié)能、集成化和智能化發(fā)展。