0.3 永磁同步電機控制技術(shù)發(fā)展狀況

永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展離不開電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)、檢測技術(shù)和電機控制技術(shù)的支撐，在此簡單介紹以上相關(guān)技術(shù)發(fā)展情況，以便于更好理解永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展水平。

0.3.1 核心器件技術(shù)發(fā)展

電力電子功率器件和微處理器是支撐電機控制系統(tǒng)發(fā)展最為基礎(chǔ)的核心器件，它們是電機控制系統(tǒng)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，影響著控制算法應(yīng)用和電機控制系統(tǒng)發(fā)展水平。電力電子功率器件發(fā)展是電力電子技術(shù)發(fā)展核心，推動著電機控制等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展電力電子功率器件已經(jīng)經(jīng)歷四個發(fā)展階段：第一階段是20世紀五六十年代以晶閘管為代表，主要應(yīng)用于低頻、高頻變流領(lǐng)域；第二階段是20世紀七八十年代以GTO、GTR和功率MOSFET為代表，推動了變流器高頻化發(fā)展；第三階段是20世紀后期以IGBT為代表，由于其優(yōu)越性能使其成為電力電子應(yīng)用領(lǐng)域的主導功率器件；目前電力電子功率器件已經(jīng)進入第四階段，即以PIC、HVIC等功率集成電路為代表的集成化發(fā)展階段，新一代的智能功率模塊（IPM）將功率器件與驅(qū)動、檢測和保護等電路集成于一體，從而使電機驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)更為便捷、可靠性更高，功率密度比更高。

微處理器發(fā)展直接制約著電機控制算法的實際應(yīng)用。由于受微處理器技術(shù)發(fā)展水平制約，最初矢量控制策略等都只是停留在理論研究基礎(chǔ)上，隨著微處理器技術(shù)快速發(fā)展，使許多高性能控制算法應(yīng)用成為可能。在近年來，美國TI、MOTOROLA和AD等公司都推出了面向電機控制的專用高速數(shù)字信號處理器（DSP），促進了電機PWM控制和電流控制發(fā)展，這些DSP都具備多通道AD轉(zhuǎn)換和PWM控制功能等，并且它們中有的是釆用浮點運算，大大提高了數(shù)據(jù)處理能力，可以滿足對電機驅(qū)動控制更復雜控制算法的運算，實現(xiàn)更高水平的控制。盡管數(shù)字信號處理器大大提高了電機控制系統(tǒng)性能，但對于高響應(yīng)、復雜調(diào)節(jié)技術(shù)實現(xiàn)仍然是困難的。同時，CPLD/FPGA等技術(shù)發(fā)展為實現(xiàn)PWM控制提供了新的方法。應(yīng)用CPLD/FPGA技術(shù)可以實現(xiàn)PWM控制的快速建模、簡化硬件和軟件設(shè)計，提高了開發(fā)和運算效率，實現(xiàn)了高性能電機控制。目前該項技術(shù)剛剛起步，還有待進一步完善。

0.3.2 位置與速度檢測技術(shù)發(fā)展

在永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)中，為了獲得高動態(tài)響應(yīng)、高精度調(diào)速和高效率等控制特性，永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置與速度反饋信息是必需的。目前，在高精度的永磁同步電機控制系統(tǒng)如伺服系統(tǒng)中，電機位置和速度反饋信息通常是通過光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等傳感器獲得的。由于光電編碼器輸出數(shù)字化、慣量小、噪聲低、精度高、成本相對便宜，故其在大多數(shù)高精度伺服系統(tǒng)中被采用。目前中國光電編碼器市場主要為國外公司所占領(lǐng)，這些公司主要有德國Heidenhain公司、OPTION公司，美國的Itek公司、B&L公司、三豐公司，日本的尼康公司和佳能公司等；國內(nèi)編碼器生產(chǎn)研發(fā)的也有十余家，其中主要有長春光機所和成都光電所等，但與國外廠家相比仍然存在一定差距。為了降低永磁同步電機控制系統(tǒng)成本，無位置傳感器控制技術(shù)已經(jīng)成為近年來的研究熱點之一。永磁同步電機無位置傳感器控制不僅能夠降低系統(tǒng)成本，而且還具有其他多項優(yōu)點，例如：可以降低系統(tǒng)復雜性，提高系統(tǒng)魯棒性和可靠性，避免噪聲對系統(tǒng)的影響，減少系統(tǒng)維護和使用成本等。為實現(xiàn)高水平的永磁同步電機無位置傳感器控制，國內(nèi)外學者都開展了大量的研究工作，其中主要方法有定子磁鏈估計法[1-3]、高頻信號注入法[4-7]、狀態(tài)觀測器[8-11]、模型參考自適應(yīng)法[12-13]、擴展卡爾曼濾波器[14-19]、滑模觀測器[20-34]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識[35-37]等。定子磁鏈估計法獲得電機轉(zhuǎn)子磁極位置是通過計算永磁同步電動機定子磁鏈空間矢量來實現(xiàn)的，故能避免轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)影響，從而可提高系統(tǒng)魯棒性，且計算量小，實現(xiàn)簡單，但其精度依賴電機定子側(cè)參數(shù)，且在低速下定子電壓小，存在電阻性壓降，從而導致估算精度降低。

高頻信號注入法是利用永磁同步電機凸極效應(yīng)，通過向電機注入高頻電壓（或電流）信號，計算磁飽和造成的電感變化而獲取轉(zhuǎn)子位置和速度信息。該方法利于低速或零速的無傳感器磁極位置檢測，但僅適用于特殊結(jié)構(gòu)電機，并且注入高頻電壓（電流）會引起轉(zhuǎn)矩脈動、軸振動和噪聲等。

狀態(tài)觀測器是通過電機狀態(tài)方程來實現(xiàn)計算電機狀態(tài)變量，即磁極位置、轉(zhuǎn)速以及電流等。狀態(tài)觀測器依賴于電機參數(shù)，由于電機參數(shù)變化和模型不確定性，極大降低了觀測精度，盡管有學者提出了在線估算電機參數(shù)，但計算量大，實現(xiàn)困難。

模型參考自適應(yīng)法是通過合理構(gòu)建不含未知參數(shù)的參考模型，并將參考模型輸出與待估計參數(shù)的可調(diào)模型輸出比較，設(shè)計合適的自適應(yīng)律實時對可調(diào)模型的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，使控制對象的輸出可以精確跟蹤參考模型輸出。該方法計算量大，且精度依賴于所構(gòu)建的參考模型，而實際往往很難收斂。

擴展卡爾曼濾波器對測量噪聲有濾波作用，具有很好的動態(tài)特性和抗干擾作用，可以提高估算精度，且該算法是遞推結(jié)構(gòu)，易于在數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用。但是該算法復雜，計算量大，隨機誤差統(tǒng)計參數(shù)不易確定。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在系統(tǒng)參數(shù)辨識方面具有非常好的優(yōu)越性，近年許多學者嘗試將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于無位置永磁同步電機控制系統(tǒng)中，如文獻 [35-37] 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置信息進行在線辨識，實現(xiàn)了無位置傳感器永磁同步電機控制，但計算量大，目前還未在工程上應(yīng)用。

滑模觀測器的方法具有結(jié)構(gòu)簡單、易于應(yīng)用等優(yōu)點，是一種具有非常好的發(fā)展前景的無位置傳感器電機控制方法。滑模變結(jié)構(gòu)控制是蘇聯(lián)學者Emeleyanov和Utkin等于20世紀60年代提出的一種非線性控制方法，由于滑動模態(tài)可進行設(shè)計，并且與被控制系統(tǒng)參數(shù)和外部擾動無關(guān)，因而滑模控制系統(tǒng)對內(nèi)部參數(shù)攝動和外部干擾具有較強的魯棒性和較高的控制精度，并且實現(xiàn)簡單。因此，滑模控制技術(shù)受到各國學者關(guān)注而得到了廣泛應(yīng)用，在電機控制領(lǐng)域應(yīng)用研究越來越受到重視。

0.3.3 永磁同步電機控制策略

電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展為永磁同步電機先進控制方法的應(yīng)用提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)，使永磁同步電機實際控制技術(shù)達到了新的高度。目前矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是實現(xiàn)高動態(tài)性能永磁同步電動控制的兩種主流控制策略。

矢量控制也稱為磁場定向控制，它是在1971年由德國西門子公司EBlas chkc等提出的，其主要思想是參考直流電機控制中勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流完全解耦分別控制的形式，基于磁場等效原則，通過矢量變換將交流電機數(shù)學模型重構(gòu)為一臺他勵直流電動機，在同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標內(nèi)將交流電機定子交變電流變換為兩個直流量，即勵磁（D軸）分量和轉(zhuǎn)矩（Q軸）分量，且兩者在空間上相互垂直，從而實現(xiàn)解耦控制，以獲得與直流電機一樣的動態(tài)調(diào)速性能。最初，由于矢量控制計算繁雜，故只是停留于理論上。電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展為矢量控制方法的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，使其由理論研究走向工程應(yīng)用，經(jīng)過三十余年的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為高性能永磁同步驅(qū)動控制的首選方案。

直接轉(zhuǎn)矩控制是德國學者M.Depenbrock在1985年首次提出的，是繼矢量控制之后發(fā)展起來的一種新型高性能交流變頻調(diào)速技術(shù)。與矢量控制不同，它通過空間矢量的分析方法，在定子坐標系下直接實現(xiàn)磁鏈計算與電動機轉(zhuǎn)矩控制，采用定子磁場定向技術(shù)，利用離散的兩點式調(diào)節(jié)（Band-Band）產(chǎn)生PWM波信號驅(qū)動逆變器的開關(guān)以獲得高性能的永磁同步電機控制。由于其直接實現(xiàn)了電子磁鏈空間矢量和轉(zhuǎn)矩控制，使控制系統(tǒng)得以簡化，提高了快速響應(yīng)能力，但其也有著明顯不足，即磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動問題，故它在永磁同步電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用仍有待深入研究。