作者：杨国良,李建雄
出版社：知识产权出版社
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永磁同步电机控制技术试读：
前言
近些年来，随着我国国民经济的迅速发展，工业、电力、交通、新能源及其他一些相关领域对大容量电力电子变换设备的需求更加迫切，这些设备的功率目前已达到兆瓦级，而可控交流传动在兆瓦级范围内常常会和中压电网联系在一起。
目前，交流传动已经成为电气传动领域的主流，低压中小容量的变频调速技术在国内已得到广泛的应用，而对于中高压、大功率领域的应用研究尚处于起步阶段，主要依靠进口一些国外著名电气公司的变频传动装置，这些产品在国内的价格十分昂贵，而且核心技术仍为国外公司所掌握，所以我们很有必要研究属于自主知识产权的中高压、大功率变频装置。逆变器拓扑结构的发展与电力电子器件的发展是密切相关的。早期的高压大容量交流调速主要采用晶闸管（SCR），其开关频率低且不能自关断，使得逆变器的性能受到了很大限制，调速范围较窄。伴随着开关器件的发展，高压大容量逆变器也日益高性能化。如今大功率开关器件的容量已达到GTO6kV/6kA、IGCT4.5kV/4kA、IGBT4.5kV/1.8kA和IEGT4.5kV/3.6kA。
在用新型半导体材料制成的电力电子器件中，最有希望的是碳化硅（SiC）功率器件。当前，美国Cree公司、德国西门子公司、日本Toshiba公司还有欧洲ABB公司等投入巨资研制新一代的电力电子器件——碳化硅功率器件。SiC材料的耐压是硅材料的10倍，热导率是硅材料的3倍，结温可高达200℃。SiC功率器件的开关频率将显著提高，通态损耗和开关损耗减至1/10。由专家预计今后十年内，碳化硅器件会有突破性的发展，必将推动中高压变频技术进入新的时代。
国内在大容量交流调速系统方面已有不少研究并获得了相应的研究成果，早期比较成熟的有两电平逆变器、降压-普通变频-升压结构（即所谓的高低高压变频结构）、交交变频器电路以及变压器耦合的多脉冲逆变器等，以上这些电路是早期传统的拓扑方案。这些系统不但结构复杂而且所使用器件多为SCR和GTO，开关频率低（一般在400Hz以下），谐波含量高，动态性能差，相当于国外20世纪80年代的技术水平，总体上落后了近20年。
在高压大容量变频器方面，国外产品一直处于垄断地位，ABB、西门子、东芝、三菱、罗宾康、阿尔斯通等国外著名电气公司都有基于多电平技术的变频器产品，主要拓扑结构包括二极管钳位三电平、飞跨电容钳位三电平和H桥串联结构等。而国内对多电平技术的开发和应用一直缺乏足够的重视，长期停留于实验室研究阶段。直到90年代末，国内在H桥串联型高压变频器的应用方面才有了突破，现已有多家公司研制出产品并投放市场，其中具有代表性的有利德华福、凯奇、先行等公司。其产品性能和国外产品相近，而价格极具竞争力，逐渐具备了与国外产品竞争的能力，大大缩短了和国外高压逆变器系统的研究和应用的距离。但总的来说，国内在这方面未形成气候，从装置总容量方面来看，与国外产品相比还有较大的差距；另一方面，从技术角度来看，手段也比较单一，拓扑结构主要集中在H桥串联形式，对于其他类型的多电平技术几乎没有应用。
在高性能大容量变频调速技术的研究和应用方面，国外远远地走在我们的前面，MVA级的高性能逆变器已有产品投入市场，广泛应用于电力机车、轧钢设备、供水系统等场合，其性能指标相当高。例如，ABB公司的Acs600和Acs1000系列变频器，采用了直接转矩控制技术，具有非常高的调速精度和动态性能，如使用速度传感器（1024脉冲/转），调速精度可达0.01%（稳态），若采用无速度传感器技术，则可达0.1%～0.5%；又如阿尔斯通公司近期在中国推出的Mv7000型中压大功率变频器产品，集当今国际最先进的电气传动控制技术于一身：IEGT大功率开关器件应用于主电路、飞跨电容钳位型三电平主电路拓扑结构、高集成度的模块化控制结构设计、矢量控制技术和异步电机低频转矩控制技术、低频消除谐波调制技术、功率因数为1的网侧三电平PW M整流技术，整套装置整体水平极为先进，代表了当今国际传动领域的最先进水平。此外，西门子公司则在三电平逆变器矢量控制方面有着传统的优势，罗宾康公司则在H桥串联结构的矢量控制系统方面占据着领先的地位。与国外先进企业相比，国内高性能的变频传动技术一直是弱项，经过这些年的发展，小容量产品已经实现产品化，而高压大容量方面仍处于研究阶段，产品领域基本上是空白。因此，如何在这方面缩短与国外公司之间的差距，掌握具有自主知识产权的高压大容量高性能变频调速技术，打破国外产品的垄断，是我们必须肩负的责任。
本书共分8章。绪论，简述了永磁同步电机及其控制技术发展背景、分类与特点，永磁同步电机控制系统控制算法研究现状，以及永磁同步电机多电平控制技术发展状况；第1章主要介绍了永磁同步电动机的分类和转子结构、永磁同步电动机物理和数学模型；第2章主要介绍了永磁同步电机两电平矢量控制的基本原理、电压空间矢量控制（SVPW M）的原理以及矢量控制系统仿真的具体实现；第3章主要介绍了PMSM两电平直接转矩控制的原理以及PMSM直接转矩控制系统各模块仿真的具体实现；第4章主要介绍了多电平逆变器的发展及优点、PMSM三电平矢量控制的基本原理、三电平逆变器中点电位平衡的分析，以及PMSM三电平矢量控制仿真的具体实现；第5章主要介绍了直接转矩控制的基本原理、三电平逆变器直接转矩控制的主要问题及虚拟矢量控制方法、PMSM三电平直接转矩仿真的具体实现；第6章主要介绍了PMSM滑模控制基本原理、滑模控制设计方法、滑模控制在电机控制系统中的应用，以及PMSM滑模控制仿真实现；第7章主要介绍PMSM容错控制原理、逆变器故障及其诊断技术、逆变器故障容错拓扑和方案分析，以及永磁同步电机容错控制系统仿真与分析等。
本书的基本研究内容已经历多年的变化，特别是近几上的相关研究工作和相关技术飞速发展，永磁同步电机矢量控制和直接转矩控制的应用领域也越来越广泛，因而在写作过程中只能不断进行基本内容的调整。
本项研究工作得到“国家自然科学基金委员会与宝钢集团有限公司联合资助项目”（项目编号：U1260203）、“国家自然科学基金资助项目”（项目编号：61403332）、“河北省自然科学基金——钢铁联合研究基金资助项目”（项目编号：F2013203291）、“河北省高等学校创新团队领军人才培育计划项目”（项目编号：LJRC013）的资助，在此表示衷心的感谢。
在本书的编写过程中，我的研究生参与了部分章节的制图、仿真工作，向付出辛勤劳动的研究生张恩蓓、李雅静、杨梓、崔杰、崔幔、常心妍、郭永爱等同学表示感谢。
作者对书末所列参考文献的所有作者表示衷心感谢。
由于作者的学识有限且时间紧迫，在永磁同步电机控制技术领域还有很多内容没能在本书中得到反映，恳请读者谅解。书中内容、结构也难免有疏漏、不当和错误之处，敬请有关专家和各位读者对本书给予批评、指正。编著者2015年3月绪论0.1引言
电机在过去几十年的工业发展进程中，发挥了至关重要的作用，不同类型的电机被成功地开发出来，并被广泛地应用于国民经济、日常生活、航空航天和武器装备等各个领域。由于永磁同步电机具有高功率密度、高效率、高可靠性及结构简单、体积小、重量轻等优点，它既可以满足高性能系统要求（如快速动态响应、宽调速范围和高功率因数等），同时，近年来永磁材料价格降低，也使它成为实现电机系统节能的首选，尤其在当前节能已经成为我国经济和社会发展的一项长远战略方针形势下，永磁同步电机驱动系统未来发展将会有更加广阔的前景。然而，永磁同步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，在其控制系统设计中，存在如电流耦合、系统饱和、参数摄动和外部扰动等诸多因素，直接影响着永磁同步电机系统性能，尤其在一些高性能应用领域，这些问题必须要面对和解决。
近年来，随着电力电子技术、微电子技术和电机控制理论的发展，交流电机驱动系统能够充分发挥出它们所具有的潜能，包括调速范围和动态性能，从而使其得到迅速发展。电机驱动系统在各种先进控制算法的控制下，能够在效率、鲁棒性和动态特性方面实现更优化控制。在现有硬件发展基础上，电机驱动系统性能更取决于电机控制软件，许多学者都提出各种控制算法用于估算电机参数，以便降低驱动系统成本，提高系统鲁棒性。其中，永磁同步电机无位置传感器控制是当前电机控制技术研究发展热点之一，它可以拓宽永磁同步电机应用范围，扩大市场需求。尤其在国家节能减排的宏观背景下，永磁同步电机已经成为实现电机系统节能首选技术方案，开展该方面研究已经成为开发低成本永磁同步电机控制系统的重要技术实现途径。0.2永磁同步电机发展现状0.2.1 永磁同步电机概念
永磁同步电机以高动态性能、高效率和轻量化等特点著称，它与电力电子技术和微电子控制技术相结合，可以设计制造出多种性能优异的机电一体化产品和装备，代表着21世纪电机驱动系统发展方向之一。
永磁同步电机驱动系统除电机本身外，还包括逆变器、电流、位置及速度传感器和控制器等组件。控制器主要负责处理传感器反馈信息及实现对逆变器的控制。图0-1是永磁同步电机驱动系统典型结构框图，该种结构被广泛应用于大多数永磁同步电机应用系统中。图0-1 永磁同步电机驱动系统典型结构框图
在图0-1所示的驱动系统中，位置反馈主要用于实现定子磁链和转子磁链同步，同时也用于速度估计，以完成永磁同步电机速度和位置的控制。电流传感器用于控制器重构三相电流，并实现电机电流控制，从而完成电机转矩控制。直流母线电压反馈用于PW M控制器，将电机电压命令转化为开关周期。由此可见，在永磁同步电机驱动系统中，电力电子、微电子控制器及位置检测技术等是永磁同步电机控制系统的关键技术，支撑着永磁同步电机控制系统的发展。
永磁电机是一种电能与机械能进行转换的电磁装置，它主要通过定子磁场和转子磁场相互作用而产生旋转转矩。与感应电机相比，两种电机在原理和结构等方面是相似的，定子结构基本一致，永磁电机与感应电机主要区别在于：转子激励是由固定的永磁体，而不是感应线圈实现的。0.2.2 永磁同步电机发展历程
永磁同步电机的发展与永磁材料的发展密切相关。早在20世纪初，工业领域第一种永磁材料铝镍钴被生产出来，从而开启了永磁同步电机技术的发展历程。但铝镍钴永磁材料磁能积小，限制了永磁同步电机技术发展，直到稀土材料问世，才使永磁同步电机逐渐发展起来，并广泛应用于国民经济各个领域。
目前，获得广泛应用的稀土永磁电机主要经历了如下三个发展阶段。
第一阶段：20世纪60—70年代，因稀土永磁材料价格品贵，永磁电机的发展主要集中于航空、航天等特殊行业的高端领域。
第二阶段：20世纪80年代，随着钕铁硼永磁材料的出现及电力电子与微电子技术的发展，永磁同步电机成本大为降低，控制更易实现，故永磁同步电机研究与应用开始扩展到工业和民用领域。
第三阶段：20世纪90年代至今，永磁材料、电力电子和微电子及永磁同步电机设计与开发等技术都有了显著进步，从而使永磁电机的应用更为广泛，已经成为驱动系统的首选电机，代表着21世纪电机驱动系统发展的方向。0.2.3 永磁同步电机分类
永磁同步电机主要由转子和定子两部分组成，其中定子由对称三相绕组和电枢铁芯组成，转子主要由转轴、永磁体及导磁轭铁构成。当三相正弦电流作用于定子时，在定子和转子空隙中会产生一个相同形状的磁动势，定子磁通和转子磁通的交互作用使永磁同步电机产生电磁转矩。
根据转子中永磁体位置不同，永磁同步电机可分为面装式、内插式和内埋式。面装式永磁同步电机的转子是由永磁体在转轴表面简单结合的，故该结构机械强度有限，但从磁性的角度看，该结构具有一定优势，主要是因为空气和磁铁几乎有相同的磁导率，永磁同步电机直轴和交轴电感相等，故转子磁场和定子磁场的交互不会产生磁阻转矩。
内插式和内埋式电机，磁铁被嵌装于转子内，该结构增强了转子机械强度，并且使得电机易于实现弱磁控制，比较适合高速的运行。但该结构电机的主要缺点是有磁阻转矩，增加了电机转矩控制的复杂度，且安装制造工艺复杂。0.2.4 永磁同步电机特点
相对于感应电机，永磁同步电机具有很多优点：（1）永磁同步电机能够提供较高的功率密度比，与相同功率的感应电机相比体积小，重量要轻；（2）永磁同步电机具有较小的转动惯量，易于应用于对电机驱动系统要求较高的动态响应领域；（3）永磁同步电机无滑环和电刷，使其鲁棒性增强、可靠性得到提高，更易应用于高速、超高速场合；（4）永磁同步电机转子磁场和定子磁场同步，且转子磁场是由永磁体构成，无直接电能消耗，电机效率相对感应电机明显提高。
由此可知：永磁同步电机相对于感应电机具有高功率密度、高效率、高可靠性及结构简单、体积小、重量轻等优点。0.3永磁同步电机控制技术发展状况
永磁同步电机驱动系统发展离不开电力电子技术、微处理器技术、检测技术和电机控制技术的支撑，在此简单介绍以上相关技术发展情况，以便于更好理解永磁同步电机驱动系统发展水平。0.3.1 核心器件技术发展
电力电子功率器件和微处理器是支撑电机控制系统发展最为基础的核心器件，它们是电机控制系统发展的物质基础，影响着控制算法应用和电机控制系统发展水平。电力电子功率器件发展是电力电子技术发展核心，推动着电机控制等相关领域发展电力电子功率器件已经经历四个发展阶段：第一阶段是20世纪五六十年代以晶闸管为代表，主要应用于低频、高频变流领域；第二阶段是20世纪七八十年代以GTO、GTR和功率MOSFET为代表，推动了变流器高频化发展；第三阶段是20世纪后期以IGBT为代表，由于其优越性能使其成为电力电子应用领域的主导功率器件；目前电力电子功率器件已经进入第四阶段，即以PIC、HVIC等功率集成电路为代表的集成化发展阶段，新一代的智能功率模块（IPM）将功率器件与驱动、检测和保护等电路集成于一体，从而使电机驱动系统开发更为便捷、可靠性更高，功率密度比更高。
微处理器发展直接制约着电机控制算法的实际应用。由于受微处理器技术发展水平制约，最初矢量控制策略等都只是停留在理论研究基础上，随着微处理器技术快速发展，使许多高性能控制算法应用成为可能。在近年来，美国TI、MOTOROLA和AD等公司都推出了面向电机控制的专用高速数字信号处理器（DSP），促进了电机PW M控制和电流控制发展，这些DSP都具备多通道AD转换和PW M控制功能等，并且它们中有的是釆用浮点运算，大大提高了数据处理能力，可以满足对电机驱动控制更复杂控制算法的运算，实现更高水平的控制。尽管数字信号处理器大大提高了电机控制系统性能，但对于高响应、复杂调节技术实现仍然是困难的。同时，CPLD/FPGA等技术发展为实现PW M控制提供了新的方法。应用CPLD/FPGA技术可以实现PW M控制的快速建模、简化硬件和软件设计，提高了开发和运算效率，实现了高性能电机控制。目前该项技术刚刚起步，还有待进一步完善。0.3.2 位置与速度检测技术发展
在永磁同步电机矢量控制系统中，为了获得高动态响应、高精度调速和高效率等控制特性，永磁同步电机转子位置与速度反馈信息是必需的。目前，在高精度的永磁同步电机控制系统如伺服系统中，电机位置和速度反馈信息通常是通过光电编码器或旋转变压器等传感器获得的。由于光电编码器输出数字化、惯量小、噪声低、精度高、成本相对便宜，故其在大多数高精度伺服系统中被采用。目前中国光电编码器市场主要为国外公司所占领，这些公司主要有德国Heidenhain公司、OPTION公司，美国的Itek公司、B&L公司、三丰公司，日本的尼康公司和佳能公司等；国内编码器生产研发的也有十余家，其中主要有长春光机所和成都光电所等，但与国外厂家相比仍然存在一定差距。为了降低永磁同步电机控制系统成本，无位置传感器控制技术已经成为近年来的研究热点之一。永磁同步电机无位置传感器控制不仅能够降低系统成本，而且还具有其他多项优点，例如：可以降低系统复杂性，提高系统鲁棒性和可靠性，避免噪声对系统的影响，减少系统维护和使用成本等。为实现高水平的永磁同步电机无位置传感器控制，国内外学者都开展了大量的研究工作，其中主要方法有定子磁链估计法[1-3]、高频信号注入法[4-7]、状态观测器[8-11]、模型参考自适应法[12-13]、扩展卡尔曼滤波器[14-19]、滑模观测器[20-34]和神经网络辨识[35-37]等。定子磁链估计法获得电机转子磁极位置是通过计算永磁同步电动机定子磁链空间矢量来实现的，故能避免转子侧参数影响，从而可提高系统鲁棒性，且计算量小，实现简单，但其精度依赖电机定子侧参数，且在低速下定子电压小，存在电阻性压降，从而导致估算精度降低。
高频信号注入法是利用永磁同步电机凸极效应，通过向电机注入高频电压（或电流）信号，计算磁饱和造成的电感变化而获取转子位置和速度信息。该方法利于低速或零速的无传感器磁极位置检测，但仅适用于特殊结构电机，并且注入高频电压（电流）会引起转矩脉动、轴振动和噪声等。
状态观测器是通过电机状态方程来实现计算电机状态变量，即磁极位置、转速以及电流等。状态观测器依赖于电机参数，由于电机参数变化和模型不确定性，极大降低了观测精度，尽管有学者提出了在线估算电机参数，但计算量大，实现困难。
模型参考自适应法是通过合理构建不含未知参数的参考模型，并将参考模型输出与待估计参数的可调模型输出比较，设计合适的自适应律实时对可调模型的参数进行调节，使控制对象的输出可以精确跟踪参考模型输出。该方法计算量大，且精度依赖于所构建的参考模型，而实际往往很难收敛。
扩展卡尔曼滤波器对测量噪声有滤波作用，具有很好的动态特性和抗干扰作用，可以提高估算精度，且该算法是递推结构，易于在数字系统中应用。但是该算法复杂，计算量大，随机误差统计参数不易确定。
神经网络技术在系统参数辨识方面具有非常好的优越性，近年许多学者尝试将神经网络技术应用于无位置永磁同步电机控制系统中，如文献 [35-37] 采用神经网络对永磁同步电机转子位置信息进行在线辨识，实现了无位置传感器永磁同步电机控制，但计算量大，目前还未在工程上应用。
滑模观测器的方法具有结构简单、易于应用等优点，是一种具有非常好的发展前景的无位置传感器电机控制方法。滑模变结构控制是苏联学者Emeleyanov和Utkin等于20世纪60年代提出的一种非线性控制方法，由于滑动模态可进行设计，并且与被控制系统参数和外部扰动无关，因而滑模控制系统对内部参数摄动和外部干扰具有较强的鲁棒性和较高的控制精度，并且实现简单。因此，滑模控制技术受到各国学者关注而得到了广泛应用，在电机控制领域应用研究越来越受到重视。0.3.3 永磁同步电机控制策略
电力电子技术和微处理器技术的发展为永磁同步电机先进控制方法的应用提供了坚实的物质基础，使永磁同步电机实际控制技术达到了新的高度。目前矢量控制和直接转矩控制是实现高动态性能永磁同步电动控制的两种主流控制策略。
矢量控制也称为磁场定向控制，它是在1971年由德国西门子公司EBlas chkc等提出的，其主要思想是参考直流电机控制中励磁电流和转矩电流完全解耦分别控制的形式，基于磁场等效原则，通过矢量变换将交流电机数学模型重构为一台他励直流电动机，在同步旋转的参考坐标内将交流电机定子交变电流变换为两个直流量，即励磁（D轴）分量和转矩（Q轴）分量，且两者在空间上相互垂直，从而实现解耦控制，以获得与直流电机一样的动态调速性能。最初，由于矢量控制计算繁杂，故只是停留于理论上。电力电子技术和微处理器技术的发展为矢量控制方法的实现奠定了基础，使其由理论研究走向工程应用，经过三十余年的发展，技术日趋成熟，已经成为高性能永磁同步驱动控制的首选方案。
直接转矩控制是德国学者M.Depenbrock在1985年首次提出的，是继矢量控制之后发展起来的一种新型高性能交流变频调速技术。与矢量控制不同，它通过空间矢量的分析方法，在定子坐标系下直接实现磁链计算与电动机转矩控制，采用定子磁场定向技术，利用离散的两点式调节（Band-Band）产生PWM波信号驱动逆变器的开关以获得高性能的永磁同步电机控制。由于其直接实现了电子磁链空间矢量和转矩控制，使控制系统得以简化，提高了快速响应能力，但其也有着明显不足，即磁链和转矩脉动问题，故它在永磁同步电机控制系统中的应用仍有待深入研究。0.4永磁同步电机控制系统控制算法研究现状综述
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发生变化，并且外部干扰可能会比较严重。经典的控制方法无法克服非线性、参数变化、负载扰动因素的影响，这就导致经典的控制系统性能会受到影响。于是，想要获得高性能的交流伺服控制系统，就必须采用现代先进的控制策略来弥补经典控制的缺陷。随着现代控制理论和智能控制理论的发展，上述想法成为可能。现代控制策略考虑了控制对象的参数变化以及各种非线性因素的影响；智能控制策略具有不依赖对象数学模型、鲁棒性强的特点，很大程度上克服了控制系统中模型参数变化和非线性等不确定因素的影响。基于此，越来越多的先进控制方法应用到了交流控制系统中。接下来将对目前永磁同步电机控制系统中较流行的几种控制算法研究现状进行简要的阐述。0.4.1 PI控制
PI控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PI控制是经典的控制策略，方法简单，既能提高系统静态精度，又能提高系统稳定性和改善系统动态品质，故被广泛应用于电机控制。典型的永磁同步电机伺服系统是一个包含电流环、速度环和位置环的三闭环控制系统。传统位置环、速度环和电流环的调节控制器都是采用PI控制器。但是正如前面所说，永磁同步电机是具有强耦合的非线性对象，很难用精确的数学模型描述，并且电机运行过程中，往往会存在各种不可预见的干扰，同时电机参数也会发生变化。而PI控制器属于线性控制器的一种，它的鲁棒性不够强，适应负载变化能力差，抗干扰能力差，控制性能不够稳定，很容易受很多因素影响。由于上述的一些缺点，PI控制器在交流电机调速控制系统中会出现许多不足，例如：PI控制器参数控制范围不够大，在某一状态下整定为最优的PI参数运用到另外一种状态下效果可能打折扣；对于不同的电机转速，同一个PI参数一般难以适用，PI参数需要分别调节，这就增加了现场调试的难度。为此，国内外学者为了弥补PID经典控制理论对非线性系统调节能力不足的问题，从不同角度提出了各种基于PI控制的改进方法，将滑模控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等算法引入电机控制领域中，形成模糊PI控制、自适应PI控制、神经网络PI控制算法，并与矢量控制和直接转矩控制理论结合，以满足系统的动、静态性能指标，实现高性能永磁同步电机控制。由于滑模（变结构）控制理论对内部参数摄动和外部干扰具有较强的鲁棒性和较高的控制精度，且实现简单，故成为提高永磁同步电机控制系统的有效手段之一，正越来越引起国内外学者的关注。0.4.2 滑模变结构控制
滑模变结构的控制是不连续的，常规的控制是连续的，这是变结构控制与常规控制的根本区别。变结构的系统结构随时间变化而产生一个类似开关的变化特性，在这种控制特性的作用下，系统轨迹会沿着事先设定的状态轨迹作高频率、小幅值的来回运动，这就是滑动模态运动（SMC）。SMC可以进行人为预先设定且与控制对象参数及扰动无关，所以SMC能快速响应、对参数变化不灵敏、抗干扰能力强，处于滑动模态运动的系统鲁棒性很强。
当系统处于滑动模态时，系统状态不受原有参数变化和外部扰动的影响，具有完全的自适应性和鲁棒性，这是SMC最大的优点。相对于传统常规控制，SMC不要求系统数学模型有很高的精确性，对系统不确定参数、变化参数、外界环境的扰动具有完全自适应性。当扰动出现时，系统能快速响应，瞬态性能好。SMC克服了系统时变、非线性、强耦合等因素的不良影响，提高了系统的控制性能。
SMC算法简单、容易实现，为电机控制问题提供了一种良好途径。但在实际系统中，百分百的理想开关特性是不可能存在的。由于存在惯性、空间滞后、时间延迟等现象，通常情况下系统是在滑模线两侧来回穿越，做高频的来回运动，很难保证系统完全沿滑模线运动，也就意味着SMC控制存在抖振现象。
然而，滑模变结构控制存在严重不足，即滑模系统抖振问题。滑模抖振的存在易于诱发系统未建模特性，影响系统性能，制约着滑模控制技术在实际工程中的应用。
另外，在电机等实际控制系统中，由于系统参数检测限制、建模不准确和外部负载扰动等诸多因素影响，使所建立的系统数学模型只是近似模型，存在着参数误差、外部干扰等诸多不确定项，而这些不确定项往往会影响系统性能，使滑模控制系统品质下降，甚至造成系统不稳定。故近来国内外许多学者将自适应控制、神经网络控制等技术与滑模变结构控制技术相结合，以获得高性能的控制系统。0.4.3 自适应控制
自适应控制无需精确的被控对象的模型，也不需要进行参数估计，只要找到一个合适的参考模型就可以，能实时地对控制对象进行在线辨识，及时根据新的信息来调整，克服了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为现代控制理论里面的一个应用比较广泛的控制方法的分支。如何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，这些就是自适应控制在永磁同步电机控制系统中主要解决的问题。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，就可能达不到很理想的结果。0.4.4 模糊控制
模糊控制理论于1965年首次被Zadeh提出，之后在工业上快速发展并且广泛应用。模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理是模糊控制理论的基础。它的基本思想是模仿人类思维具有模糊性的特点，通过模糊推理来实现对不确定性对象系统的有效控制，核心是模糊控制规则和隶属度函数的确定。
模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，鲁棒性强，非常适用于经典控制难以解决的非线性、时变系统的问题，它是以语言变量代替常规的数学模型，推理的过程效仿人类的思维过程，借鉴专家的知识经验，可以处理复杂的控制问题。
但是，模糊控制的一个主要不足之处在于难以达到较高的控制精度，因为它本身很难消除稳态误差。正因如此，人们通常习惯将模糊控制结合其他的控制方法，以便达到更好的控制效果。目前，模糊控制在交流伺服控制系统领域取得了不错的成果，但还不是非常成熟，很多问题还需进一步的研究。例如：对于不同的电机和运行环境，在缺乏系统的模糊控制规则设计方法的同时怎么确定对应的模糊控制规则；确定模糊规则之后，又如何去保证整个系统的稳定性。总之，在发展模糊控制理论的道路上，还有很多问题和困难等待去解决。0.4.5 神经网络控制
人工神经网络的研究始于20世纪40年代初，到80年代已经取得了突破性的进展，渐渐发展成为智能控制的一个非常重要的分支。神经网络是模拟人脑的思维方式进行工作，具有自学习能力、并行处理能力和自适应能力，换言之，它是用科学技术模拟神经系统的结构以及功能的一种信息处理系统。就现状来讲，神经网络已经初步应用到交流伺服系统，一方面利用神经网络的非线性函数非凡的逼近能力和优秀的学习能力，另一方面结合其他的控制技术，两者结合可以改善控制系统的收敛性、稳定性以及鲁棒性。最近几年，神经网络控制方法是永磁同步电机伺服系统研究的一个新方向。
限制神经网络控制在交流伺服系统应用的一个主要因素就是其算法非常复杂，大多数只能在仿真平台上进行，在实际系统的控制效果还需进一步的检验。此外，相对其他学科，神经网络还不够成熟，许多问题尚待解决。0.4.6 容错控制
控制系统是由具备独立功能的各种单元构成的复杂系统。到目前为止，绝大部分的控制理论都是建立在假设系统中传感器和控制器都正常工作的基础上。各种多变量复杂控制系统的出现，促进了控制理论的发展，也为工程中解决了各类控制问题。在多变量复杂系统中，通过多个传感器进行实时测量，控制器和多个执行器实时协调工作，维持系统达到控制目的。但是，所有独立功能器件都是机械、电子等因素的复杂结合体。随着传感器和执行器数量的增加，毫无疑问提升了器件的故障率。与此同时，故障后引起的影响也更严重。而在许多实际工程应用中，如航空、航天、核工业、化学工业等，系统的可靠性凌驾于所有功能之上。这些大型复杂系统由几十上百的控制回路构成，而且短时间的系统崩溃就会带来不可估量的损失，以至于传统的连锁保护系统与参数报警都已经满足不了这些现代化设备的需求。乌克兰“切尔诺贝利核事故”、美国“挑战者”号爆炸以及各国多次火箭发射失利等，这些事故的对象都因为部件故障没有得到妥善的处理引发系统崩溃，让人们不断地意识到在一个大型复杂系统采用容错控制的必要性。美国空军早在20世纪70年代就已经启动容错控制技术的研究，并为此投入了大量的人力、物力，希望开发出具有更高容错能力的战斗机，以提高战斗机在战场的生存能力。航空航天领域的容错控制系统基本都采用多套硬件和软件的冗余容错结构，这也为容错控制在其他领域的发展提供了一定的方向和参考依据。
永磁同步电动机以其优越的调速性能得到了广泛研究和应用，为了降低成本、解决机械位置传感器安装困难、环境适应能力及可靠性差等问题，无位置传感器控制技术成为人们关注的热点。电压源逆变器（Voltage Source Inverter, VSI）是永磁同步电动机控制系统中最常采用的功率变换器。然而，其中的功率半导体器件及其控制电路是最易发生故障的薄弱环节，其可靠性问题一直没有得到有效解决。最新研究表明：变频调速系统中功率变换器的故障占整个驱动系统故障的82.5%，是驱动系统中最易发生故障的薄弱环节。功率变换器一旦发生故障，轻则将造成系统停机影响生产，重则造成灾难性事故。尽管人们为提高调速系统的可靠性而采取降额设计或使用并联冗余元件等方法，但这会使系统造价过高，仅适用于空间条件许可的场合。为改变这种状况，国外已有研究者提出逆变器容错技术。容错控制使系统在发生故障的情况下，能够自动补偿故障的影响以维护系统的稳定性和尽可能恢复系统故障前的性能，从而保证系统的运行稳定可靠，是提高系统可靠性和安全性的一个重要途径。0.5永磁同步电机多电平控制技术发展状况
近些年来，随着我国国民经济的迅速发展，工业、电力、交通、新能源及其他一些相关领域对大容量电力电子变换设备的需求更加迫切，这些设备的功率目前已达到兆瓦级，而可控交流传动在兆瓦级范围内常常会和中压电网联系在一起。
今天，很难将某个独立的电力半导体开关器件和中压电网（2.3kV、3.3kV、6kV或10kV）直接联在一起，正是如此，更高电压等级的多电平逆变器引起国内外同行的广泛关注。目前，交流传动已经成为电气传动领域的主流，低压中小容量的变频调速技术在国内已得到广泛的应用，而对于中高压大功率领域的应用研究尚处于起步阶段，主要依靠进口一些国外著名电气公司的变频传动装置，这些产品在国内的价格十分昂贵，而且核心技术仍为国外公司所掌握，所以我们很有必要研究属于自主知识产权的中高压大功率变频装置。多电平逆变器的电路拓扑结构避免了功率开关器件直接串联引起的动态均压问题，同时降低了电压变化率，减少了共模干扰，相应提高了电机效率，成为中大功率交流传动领域研究的重点，许多国际著名电气公司都开发了以三电平逆变器为核心的交流传动系统，容量可达数十兆瓦，成功应用于钢铁轧机、矿井提升机、风机、水泵、压缩机以及电力机车、城市轨道交通等领域。我国正处于国民经济高速发展的大好时机，电力电子与电力传动学科的发展也不例外，各高校和科研院所都在积极研发新一代的电气传动设备，开发利用新能源。显然，开发出具有自主知识产权的大功率多电平逆变器交流传动系统，不仅具有显著的经济效益而且具有深远的社会效益。0.5.1 用于高压大容量交流调速的三电平逆变器典型拓扑
图0-2给出了一个典型的高压大容量高性能交流调速系统原理图，这是一个采用二极管钳位型三电平逆变器的方案。大容量逆变器在应用中的一个很重要问题是大功率传动并且直流环节的电容滤波会给电网注入谐波电流，这将增加输入电流的畸变。图0-2所示是一种输入整流器的12脉冲配置，这是一个标准的降低输入电流谐波的解决方案。一些制造厂商还提供18脉冲和24脉冲整流器以提高输入电流的品质。图0-2 具有12脉冲整流器的二极管钳位型三电平逆变器
在三电平二极管钳位型逆变器的输入侧采用三电平PW M整流器，国外文献中常称为有源前端（Active Front End,AFE），对于大功率回馈型负载已成为一种十分流行的方案。如图0-3所示，这种方案允许全部电机能量的回馈，降低了输入谐波且提高了功率因数。这种带有三电平PWM整流器的双PW M三电平逆变器传动系统，在轧钢机、大功率的下行运输机以及其他可再生回馈的大功率负载场合非常适合。图0-3 能量可双向流动的双PW M三电平逆变器0.5.2 高性能多电平交流调速技术
如前所述，多电平变换技术在过去的20年里获得了迅猛发展，在研究领域中新型拓扑结构、控制方法也层出不穷，但真正获得实际应用的还是三种最基本的拓扑结构——二极管钳位型、电容钳位型、H桥串联型多电平；控制方法也大多是基于谐波优化、载波调制或空间电压矢量调制的开环方案。可以预见，在21世纪，多电平技术的主要研究重点会逐步从拓扑方面转移到工业应用方面，尤其是在高压大容量高性能交流调速系统方面，已经逐步成为国际研究和应用的热点。
长期以来，高压大容量交流调速技术主要还是集中在谐波优化和开环VVVF控制，其调速范围窄，低速性能差，通常只用于风机泵类等调速性能要求不高的负载，主要用途是节能和软起软停。制约高压大功率系统高性能化的主要因素有：（1）器件的工艺水平受限，高压大容量开关器件通常开关频率不高，通常小于1kHz。在低开关频率下，由于离散化误差的影响、控制上的不及时等因素，控制精度必然下降，出现转矩脉动大、调速精度差等现象。（2）高性能交流调速技术是在两电平逆变器上发展起来的，而高压大容量逆变器采用的是多电平技术，电路拓扑的不同往往造成技术移植上的困难，而且技术上的移植也需要有一个逐渐成熟的过程。（3）高压大功率还会带来很多新问题，如和高、电磁干扰（EMI）、电磁兼容（EMC）、轴电压、轴电流和长线传输等问题，关于这些问题的研究都处于起步阶段，还没有成熟的解决办法。这对系统的稳定性、可靠性具有极大的影响。
在多电平高性能调速系统中，由于矢量控制技术的传统优势，矢量控制总是首先获得应用；而直接转矩控制技术虽然在近十年内有了很大的发展，但绝大多数的研究工作都是集中在普通两电平电路上，在多电平电路上的研究也只是处于起步阶段。无论两电平还是三电平逆变器的直接转矩控制，真正能够实现产品化的只有ABB公司一家。
作为一种高压大容量的高性能交流电机调速方式，一方面技术难度高不容易实现，另一方面可能出于技术保密的考虑，基于三电平逆变器DTC控制系统的应用研究在国际上相关文献报道还不多见。国内从事这方面的研究较早的主要有清华大学、同济大学和上海大学[46-50]。在多电平电路上实现直接转矩之所以比较困难，除了前面三点原因，还和直接转矩控制本身的技术特点有关。直接转矩控制的实现基础为优化矢量表，电平数越多，矢量数将急剧增加，相应地优化矢量表复杂程度也急剧增加。同时还要考虑和具体拓扑结构相关的问题，如中点钳位型逆变器的电容电压平衡问题、H桥串联各桥的功率平衡问题等。出于在优化矢量的形成方面缺乏统一的技术基础，各种结构间的技术可移植性差，削弱了研究工作的延续性，从而直接阻碍了直接转矩控制在多电平电路上的应用。从实际应用的角度看，最具有实际应用价值的多电平电路为三电平逆变器，此电路拓扑相对简单，所用器件相对较少，可靠性高。而且这种电路结构的空间电压矢量数目相对较少，所生成的优化电压矢量表也不太复杂，控制上相对易于实现，因此对此电路拓扑进行直接转矩控制的深入研究具有实际意义。第1章PMSM构成原理1.1永磁同步电动机的分类和转子结构
永磁同步电动机是由电励磁三相同步电动机发展而来。它用永磁体代替了电励磁系统，从而省去了励磁线圈、集电环和电刷，而定子与电励磁三相同步电动机基本相同，故称为永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）。
永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制方法、制造工艺和适用场合也不同。根据永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电动机的转子结构可分为面装式、内插式和内埋式（图1-1）。图1-1 永磁同步电动机的转子结构
面装式和内插式统称为外装式结构，其转子直径可做得很小，转动惯量低，特别是若将永磁体直接粘贴在转轴上，还可以获得低电感，有利于改善动态性能。这种转子结构在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到广泛的应用。此外，面装式结构的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形区域为正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。内插式转子，可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，常被某些调速永磁同步电动机所采用。另一种转子结构是将永磁体埋装在转子铁芯内部，每个永磁体都被铁芯所包容，通常称为内埋式永磁同步电动机。这种结构机械强度高，磁路气隙小，具有较大的凸极率，可以提高电动机的牵入同步能力、磁阻转矩和电动机的过载倍数，其适合弱磁运行。面贴式永磁同步电动机实质上是一种隐极式同步电动机，因为永磁材料的磁导率十分接近空气，所以交、直轴电感基本相同。而内插式和内埋式结构属于凸极式同步电动机，其交轴电感大于直轴电感，这样除了产生电磁转矩外，还产生磁阻转矩。电机的凸极有两种形成原因，一种是由于不对称的电机结构，另一种是由于定子或转子的铁磁饱和。一方面，基于电机结构的凸极是由电机的设计所决定的，几乎不受定子电流影响，这使得利用凸极进行转子位置估算的自检测方法具有很强的鲁棒性；另一方面，基于饱和的凸极相对于转子的位置是不固定的。它们的位置随着定子电流幅值的变化而移动。这时自检测方法中的跟踪观测器将跟踪电机里最大饱和的位置，而不是转子的位置。因此这种利用基于饱和的凸极进行转子位置估算的方法鲁棒性能低，不够精确，同时对参数敏感。1.2永磁同步电动机物理模型
用于矢量控制的PMSM，要求其永磁励磁磁场波形是正弦的，这也是PMSM的一个基本特征。
图1-2和图1-3分别是二极面装式和内插式PMSM的结构简图。图中，标出了每相绕组电压和电流的正方向，并取两者正方向一致（电动机原则），电压和电流可为任意波形和任意瞬时值；将正向电流流经一相绕组产生的正弦波磁动势的轴线定义为相绕组的轴线，并将A轴作为ABC轴系的空间参考坐标，同样可以将三相绕组表示为位于ABC轴上的线圈；假定相绕组中感应电动势的正方向与电流的正方向相反（电动机原则）；取逆时针方向为转速和电磁转矩的正方向，负载转矩正方向与此相反。图1-2 二极面装式PMSM结构简图图1-3 二极内插式PMSM结构简图
在建立数学模型之前，先做如下假设：（1）忽略定、转子铁芯磁阻，不计涡流和磁滞损耗；（2）永磁材料的电导率为零，永磁体内部的磁导率与空气相同；（3）转子上没有阻尼绕组；（4）永磁体产生的励磁磁场和三相绕组产生的电枢反应磁场在气隙中均为正弦分布；（5）相绕组中感应电动势波形为正弦波。
对于面装式转子结构，由于永磁体内部磁导率很小，接近于空气，可以将置于转子表面的永磁体等效为两个空心励磁线圈，如图1-4（a）所示，假设两个线圈在气隙中产生的正弦分布励磁磁场与两个永磁体产生的正弦分布磁场相同。进一步，再将两个励磁线圈等效为置于转子槽内的励磁绕组，其有效匝数为相绕组 的 倍，通入等效励磁电流为if，在气隙中产生的正弦分布励磁磁场与两励磁线圈产生的相同。ψf=Lmfif,Lmf为等效励磁电感。图1-4（b）为等效后的物理模型，图中已将等效励磁绕组表示为位于永磁励磁磁场轴线上的线圈。图1-4 二级面装式PMSM物理模型
如图1-4（a）所示，由于永磁体内部的磁导率接近于空气，因此对于定子三相绕组产生的电枢磁动势而言，电动机气隙是均匀的，气隙长度为g。于是，图1-4（b）相当于将面装式PMSM等效为了一台电励磁三相隐极同步电动机，唯一的差别是电励磁同步电动机的转子励磁磁场可以调节，而面装式PMSM的永磁励磁磁场不可调节。在电f动机运行中，若不计及温度变化对永磁体供磁能力的影响，可认为ψf是恒定的，即i是个常值。
图1-4（b）中，将永磁励磁磁场轴线定义为d轴，q轴顺着旋转方ss向超前d轴90°电角度。f和i分别是定子三相绕组产生的磁动势矢量ssss和定子电流矢量，产生i（f）的等效单轴线圈位于i（f）轴上，其有效匝数为相绕组的倍。由图1-4（b）可以看出，面装式PMSM和三相隐极同步电动机的物理模型是相同的。
同理，可将内插式转子的两个永磁体等效为两个空心励磁线圈，再将它们等效为置于转子槽内的励磁绕组，其有效匝数为相绕组有效f匝数的倍，等效励磁电流为i，如图1-5（a）所示。与面装式PMSM不同的是，电动机气隙不再是均匀的，此时面对永磁体部分的气隙长度增大为g+h, h为永磁体的高度，而面对转子铁芯部分的气隙长度仍为g，因此转子d轴方向上的气隙磁阻要大于q轴方向上的气隙磁阻，可将图1-5（a）等效为图1-5（b）的形式。ss
图中当β=0°时，将i（f）在气隙中产生的正弦分布磁场称为直轴电枢反应磁场。ss
当β=90°时，将i（f）在气隙中产生的正弦分布磁场称为交轴电枢反应磁场。ss
显然，在幅值相同的i（f）作用下，直轴电枢反应磁场要弱于mdmqmdmq交轴电枢反应磁场，于是有L＜L,L和L分别为直轴等效励磁电感和交轴等效励磁电感。
由图1-5（b）可以看出，内插式PMSM与电励磁三相凸极同步电mdmq动机相比较，两个物理模型主要的差别表现在后者的L＞L，两者恰好相反。
对于内埋式PMSM，因直轴磁路的磁导要小于交轴磁路的磁导，mdmq故有L＜L，其物理模型便和内插式PMSM的基本相同。mdmqmm
对于如图1-4（b）所示的面装式PMSM，则有L=L=L,L称mmf为等效励磁电感，且有L=L。图1-5 二极内插式PMSM的等效物理模型1.3永磁同步电机数学模型
基于1.2节的假设，在永磁同步电机矢量控制系统建模分析中，静止坐标系α、β轴数学模型和旋转坐标系d、q轴数学模型最为常见，通常将旋转坐标系d轴定义在转子的N极上，α轴和定子A相绕组一致。图1-5给出了PMSM常用坐标系统示意图。
旋转dq坐标系中定子电压方程为
旋转dq坐标系中定子磁链方程为
旋转dq坐标系中定子电流方程为
旋转dq坐标系中电磁转矩方程为e式中：u、i、ψ、T分别为定子电压、电流、磁链以及电磁转矩；d、sdqq分别为定子直轴、交轴分量；R分别为定子绕组电阻值；L、L分fr别为定子绕组直轴、交轴电感；ψ为转子永磁体磁链；ω为转子速度；P为极对数。
在PMSM控制研究中，静止αβ坐标系中的数学模型同样很重要。可以通过dq坐标系到αβ坐标系的变换得到静止两相坐标系中PMSM数学模型如下：
静止αβ坐标系中定子磁链方程为
静止αβ坐标系中定子电压方程为+-+--+-αβαβdq其中：L=L+Lcos2θ,L=L-Lcos2θ,L=Lsin2θ,L=（L+L）/2，Ldq=（L-L）/2。第2章PMSM两电平矢量控制在永磁同步电机电动机控制方法中，目前矢量控制方案（Fieldoriented Control,FOC）无疑是使用最广泛的。1968年，Darmstader大学的Hasse博士首次提出了矢量控制理论的概念。而1972年德国西门子公司的F.Blaschke将矢量控制理论进行了系统化，并将其以专利的形式发表，奠定了该理论的基础。但是因为矢量控制理论需要坐标旋转变换、矢量运算以及高速的数字信号处理器，所以在最初几年里，由于技术上的缺陷，一直无法得到理论上的验证。直到1979年，矢量控制技术第一次被日本用于异步电机驱动造纸机；一年后，日本又将矢量控制技术应用到永磁同步电机驱动轧钢机上。毫无疑问，在矢量控制技术研究和产品开发方面，德国和日本遥遥领先于其他国家。矢量控制的基本思想是模拟直流电机的控制方法，将磁链与转矩通过坐标变换，进行解耦，形成以转子磁链定向的两相参考坐标系，这样就可以将交流电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制的优点是能精确地实现转速控制并具有良好的转矩响应。但是矢量控制的前提是获得转子磁场的准确位置，通常情况下通过安装转子位置传感器来获得转子磁场的准确位置。不过矢量控制要经过坐标变换，涉及大量运算，对控制器的要求高。另外，矢量控制对电机参数的变化敏感，系统结构复杂。2.1面装式三相永磁同步电动机矢量方程2.1.1 定子磁链和电压矢量方程
三相绕组的电压方程可表示为ABC式中：ψ、ψ和ψ各为ABC绕组的全磁链。可有fAfBfC式中：ψ、ψ和ψ分别为永磁励磁磁场链过ABC绕组产生的磁链。
同电励磁三相隐极同步电动机一样，因电动机气隙均匀，故ABC绕组的自感和互感都与转子位置无关，均为常值。于是有sσm1式中：L和L分别为相绕组的漏电感和励磁电感。另有
式（2-4）可表示为式中：ABC
若定子三相绕组为Y形连接，且无中线引出，则有i+i+i=0，于是式中：为等效励磁电感；称为同步电感。BC
同样，可将ψ和ψ表示为式（2-8）的形式。由此可将式（2-7）表示为ABC
同三相感应电动机一样，由三相绕组中的电流i、i和i构成了定s子电流矢量i。sfAfB
同理由三相绕组的全磁链可构成定子磁链矢量ψ，由ψ、ψ和fCfψ可构成转子磁链矢量ψ，即有
将式（2-9）两端矩阵的第1行分别乘以第2行分别乘以第3行分别乘以再将三行相加，可得s式中：方程右边第一项为i产生的漏磁链矢量，与定子相绕组漏磁场s相对应；方程右边第二项为i产生的励磁磁链矢量，与电枢反应磁场相对应；方程右边第三项为转子等效励磁绕组产生的励磁磁链矢量，与永磁体产生的励磁磁场相对应。
通常将定子电流矢量产生的漏磁场和电枢反应磁场之和称为电枢磁场，将转子励磁磁场称为转子磁场，又称为主磁极磁场。ss
可将式（2-13）表示为此式为定子磁链矢量方程，Li为电枢磁链矢量，与电枢磁场相对应。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]