永磁同步电机的控制策略研究与优化

摘要：永磁同步电机有着一种高效稳定的优势，在工业自动化、电动汽车和家用电器等方面具有广阔的应用前景。但如何对永磁同步电机进行有效的控制，对于提升永磁同步电机综合性能，依然是一个十分重要的问题。目前，永磁同步电机的控制方法主要有：模型控制、矢量控制、自适应控制等。通过对电机动态响应的改善，减小了扭矩波动，改善了能源效率。因此，本文对永磁同步电机的控制策略研究与优化进行了研究，以供参考。

关键词：永磁同步电机；控制策略；研究与优化

前言：

永磁同步电机与其他电机比较有许多优势，比如结构简单、效率高、散热好等优点。同时，随着其散热性能的改善和价格的逐渐下降，永磁同步电机控制在人们的日常生活和军事工业中被广泛使用。此外，永磁同步电机是一类含有大量参数的复杂非线性系统，其内在的电磁场结构更为复杂，运行特点与其控制方法有着密切联系，所以，如何选取合理的控制方法，对永磁同步电机的发展至关重要。

一、永磁同步电机控制的意义

（一）有利于高效节能

相对于传统的异步电机，永磁同步电机具有高效、节能等优点。因此，永磁同步电机是一种新型的高性能、高可靠、高效率新型能源驱动设备。通过对永磁同步电机速度、力矩的精密调控，使永磁同步电机在各种工况下均能平稳运转，降低能耗。在载荷很小的情况下，马达仍然可以在高效率下工作，大大减少了能源消耗。先进的控制系统，可以让新型的同步电机，在最大速度下，达到最优工作模式，并通过对电流、磁场的调控，进一步提高电机的工作效率。

（二）有利于精确控制与高动态性能

精确控制就是在不同工况下，对电机的速度、位置及输出转速进行精确的控制。在机器人、数控机床等有较高精密位置需求的场合，具有十分重要的意义。利用模型预估控制、矢量控制、DTC等有效控制方法，实现对电机工作状态的在线调节，保证在多变载荷及外界环境下的稳定与高效[1]。高动态特点是指当外界命令或负荷变动时，电动机对外界命令或负荷变动有很强的反应能力，尤其是在转速大、负荷瞬间波动时，仍然可以维持很小的惯量和小滞后。这对于改善设备工作的准确性与反应性，有着十分重要的作用。

二、永磁同步电机的控制策略研究与优化

（一）模型预测控制（MPC）与优化

永磁电机的励磁磁场是由永磁材料产生，永磁材料在电机中既是磁路，又是磁源。目前，随着电机控制技术的进步，预测控制在永磁同步电机中的应用越来越广泛。预测控制是以系统动力学模型为基础，通过对系统将来的行为进行预测，以实现在满足一定限制的情况下最优的控制输入。针对永磁同步电机的预测控制方法，拟对其进行建模，通过坐标转换将三相电流转换成交流电流，从而简化了电机控制问题。预测控制系统通过对电机工作状态的实时预测，对当前控制策略进行优化，从而达到最优控制效果。区别于传统永磁同步电机控制，预测模型可以根据系统的动态特点，通过持续调节控制策略，提前预测并避免电网中的限流、电压脉动等系统约束。预测模型的优化设计一般都是在一个有限的预测区间内进行，在此基础上，通过对最优控制参数的求解，计算量大。针对这一问题，本文采用模型降维与逼近优化相结合的方法，来改善系统的实时性。所提出的优化方法在保证控制效果的前提下，可以有效地降低计算量[2]。

（二）自适应控制与鲁棒控制

随着近年来，国内外学者对自适应控制与鲁棒控制进行了大量研究，主要集中在鲁棒和自适应两个方面。本文提出的两种方法可有效地改善系统在多变的动力学条件下的响应特点，特别是当外界干扰或不确定因素出现时。该算法通过对控制器的参数进行在线调节，从而实现了对模型的不确定和负荷的动态响应。在此基础上，提出了一种新型的基于模糊神经网络的自适应控制方法。比如，利用MRAC和SCC等技术实现对电动机运行状态的在线估算与最优控制，以提升控制精度与响应能力。鲁棒控制是指当有外界干扰或不确定因素时，确保其具有较强的鲁棒性，并能抵抗外界干扰。针对PMSM鲁棒控制问题，本文将滑模控制、H∞控制等方法引入到鲁棒控制中，解决鲁棒控制中存在的建模误差及外界干扰等问题。本项目所提出的稳健控制策略，可保证在苛刻工况下，系统仍然具有优良的控制性能，防止外界影响所引起的系统特性退化。

（三）多目标优化与能效提升

永磁同步电机由定子与转子组成，定子产生的是空间旋转磁场，转子是在定子产生的磁场中进而产生励磁磁场。因此，针对永磁同步电机的能量效率与系统性能需求日益提高的现状，提出了一种基于多目标优化的永磁同步电机控制方法。多目标优化是以电机效率、转速波动、响应速度等为目标，对电机的多个性能指标进行同步优化。为了达到最优的控制效果，通常将遗传算法和粒子群算法应用于多目标优化中。从节能角度看，优化的重点在于降低电动机工作时的损耗，特别是铜、铁的损失。在设计控制策略时，采用合适的磁场方向控制、直接转矩控制等方式，可有效提高永磁同步电机的工作效率。在此基础上，利用智能算法实时调节控制参数，实现电机在各种工况下的最优工作状态，最大限度地利用能量。通过本项目的研究，实现永磁同步电机在多种工作条件下的最佳工作状态，既能提高系统总体效率，又能延长自身使用寿命。同时，本项目的研究成果将极大地提高该方法的实用性与有效性，为该领域的研究提供新思路与方法[3]。

结语：

总之，永磁同步电机（PMSM）有一种高效、高功率密度和优异的驱动特点，在工业传动、电动汽车及家用电器等方面有着广阔的应用前景。永磁同步电机的控制方式也在逐渐由原来的矢量控制向近代直接速度控制和模型预测控制过渡。通过对永磁同步电机的精密调速，保证了永磁同步电机在不同的工作状态下的稳定和高效运行。在今后的发展中，伴随着智能、新能源等领域的发展，永磁同步电机的控制方式将向精细化、智能化方向发展，从而进一步提高运行效率和适用领域。

参考文献：

[1]邸银浩.永磁同步电机的MPTC研究[D].四川：西华大学，2023.

[2]王超宇.永磁同步电机退磁故障研究[D].中国矿业大学，中国矿业大学（江苏），2023.

[3]何炜康，刘政，胡勤丰.永磁同步电机改进弱磁策略[J].微电机，2022，55（7）：52-59.