【《永磁同步电机控制策略国内外研究现状文献综述》4700字】

永磁同步电机控制策略国内外研究现状文献综述永磁同步电机系统是一种强电磁耦合、多种可变量的非线性自动调速电机系统，其性能的稳定与所使用的各种控制器和策略方式有着直接密切的关系。最初，传统的电机参数控制采用标量控制，例如直流电压固定、电流频率比固定的控制方法，但由于这种方法制约性较强，控制器的系统根据实际性能观测的效果并不理想。随着理论不断发展，新型控制方案不断涌现REF_Ref3142279\r\h[12]。图1-1永磁同步电机控制系统算法分类REF_Ref3142279\r\h[13]按照永磁同步电机对磁链解耦的思想划分，永磁同步电机的调速系统大致可以分为两种，即转子磁链定向控制和定子磁链定向控制，前者中最经典的即空间矢量调制，往往采用令直轴量id=0，并以电流的滞环调节和电流转速的PI调节作为闭环处理手段。对于转子的磁链定向控制方法还包括单矢量、双矢量和需要特定调制器无差拍的预测电流控制；随着控制理论的不断发展和延伸，将转子和定子磁链定向相结合产生的先进控制方法还包括自适应控制、滑膜变控制和Backt1.1磁场定向控制研究现状磁场定向控制（FieldtOrientedtControlt,tFOC）又称空间矢量控制，最早于1970年由K.tHasse和F.xBlaschke提出REF_Ref3142279\r\h[14]，早期的异步电机应用这种控制策略。FOC是一种广泛用于三相变频器交流驱动电机控制的设计方法，通过对三相变频器的交流输入信号电压频率幅值和控制信号输出频率幅值进行驱动控制，通过着眼于定子电流矢量，根据驱动磁场定向的控制原理分别对PMSM励磁控制电流和转矩励磁电流进行自动调控，从而使三相PMSM等效于直流传动电机。由于控制原理有所区别，一些策略在电机低转速下会完全失效；而FOC控制器则能够在整个速度范围内提供平滑转矩。除了有感电子调速器，大部分调速器无法反馈转子位置，因此很难实现电机正反转的换向REF_Ref3142279\r\h[15]；而FOC驱动器的换向性能相对优秀，能够较为顺畅地在最高转速下进行正反转切换，加快动态过程；FOC还可以以能量回收的形式进行刹车控制，并且噪音也会比普通电子调速器小很多，原因是普通电子调速器采用方波驱动，而FOC则采用正弦波驱动，提高了定位、速度的准确度和响应快速性REF_Ref3142279\r\h[16-19]。根据驱动电机所需要适应的工况，FOC引申出多种控制方法。id=0控制思路简单清晰，应用的工况范围相对于其余FOC控制方案广泛，是目前最成熟的永磁同步电机矢量控制方案。这种方案最大的优势在于清空了电流的直轴分量，使电枢反应仅压缩在交轴，模拟了直流电机的控制方案，集中全部的电流产生电磁力矩输出，减少了永磁体退磁的风险并提高了电流的控制效率。文献[17]以控制规律为主线，循序深入地论述了该控制方案下的PMSM静、动态性能，从整体上阐述了最大转矩电流比控制（MaximumlTorquelper1Ampere,lMTPA）主要用于带有凸极永磁阀的同步电机。对比输出相同电磁转矩下的各PMSM控制策略，MTPA所需的定子电枢电流最小，缩减了电机的铜耗，这样可以选择容量较小的三相逆变器从而降低成本。文献[18]从解析法，β求解算法，反馈算法与直接求解算法四个方面对比实现了MTPA控制，其中β弱磁控制技术增大了电机的调速范围，以满足电压平衡方程为优先，通过改变直轴电流来减少励磁电动势，最终实现弱磁增速，该方案主要应用于更高转速是保持相对稳定的功率。文献[19]提出了一种解决永磁同步电机作为纯电动汽车发动机运转过程中直流母线电压骤降，造成电机基础速度发生大幅度变化问题的弱磁控制方法；文献[20]针对PMSM电机在端电压提升到极值时，由于转速无法通过调高压来提高，只有通过降低电枢励磁电流产生的磁链大小时，响应特性降低而提出一种改善PMSMl弱磁区特性的解决方案。单位因数控制即cosφ=1控制，清除了不做功的电流，从另一种途径扩充了逆变器容量，牺牲了输出的电磁转矩换取较小的逆变器桥臂电流，延长逆变器工作寿命的同时提高了电机系统的调控精度。文献[21]给出了单位因数控制下，三相PMSM在固定磁链区和高速高电压的弱磁区工作下的影响参数因子，通过单位因数控制仿真结果给出一种弱磁区用磁场定向cosφ=11.2直接转矩控制研究现状直接直接转矩控制（Directitorqueicontrol，DTC）理论及其应用方案最早在1985年由德国工程师M.Delenborcki提出，日本的Tahakashii教授也提出了类似的控制方案REF_Ref3142279\r\h[22]。DTC控制建立在定子坐标系下不进行坐标变换，为了缩短电子控制器运算所需要的时间以更为直接的方法控制输出转矩。不同于FOC思想的间接控制，这种思想的提出使得控制理论得到进一步发展。DTC建立基于定子磁链和输出转矩为主要控制对象的双闭环控制系统，通过传感器实时检测两参数，根据信号位置，合适的空间电压矢量从逻辑模拟表中选择，进而得到三个桥臂的闭合断开状态。由于没有转子位置检测，故转矩调速的响应较快REF_Ref3142279\r\h[23]。现今随着控制理论的不断发展，以直接转矩控制为基础延伸出许多先进高效的控制策略，包括DTC-SVM控制，预测转矩控制和Lyapunov算法控制等。文献[24]着眼于相数为5的PMSM的DTC仿真模型，以优化定子电流在低阶次各电枢造成的谐波浮动，将SVPWM的部分思想引入以平缓转矩变化产生的波纹效应，并使电磁力的轨迹更接近于圆形。文献[25]中RodicM和JezernikK将Lyapunov微分方程方程应用于基于模型预测的DTC算法，给出一种整定最佳电压矢量的计算方法作为传统DTC算法的替代方案。DTC的转矩波动在实际控制中比FOC剧烈，由于DTC使用开关表进行控制导致这种问题无法解决。其中低速启动产生的温度变化剧烈导致的定子电阻真实数值发生波动，在电机低速启动时配合的电压传感器采集的数据失真，容易降低控制的准确程度，所以低速时DTC控制效果相对较差。将FOC和DTC按照上述分析的性能对照汇总如下：表1-1两种控制策略性能对照对照项目控制策略空间矢量控制直接转矩控制电流脉动小较大动态调节时的电流冲击小较大电流特性与转矩呈正比例关系与转矩非线性相关调速范围高于10000:1低于1000:1启动性能好、软起动不好、需要采用辅助设施低速性能较好较差电流利用率高低对比两种控制方法的优点和不足，本文采用空间矢量控制，并对其进行更详细的介绍与研究。1.3新型智能控制策略研究趋势近年来随着新型控制理论的深入研究和其在工业生产中的应用。许多智能控制策略也开始引入电机控制领域中，这些方法的应用在提高电机控制性能的同时也大大地增强驱动系统的抗干扰能力，是目前电动汽车驱动控制系统的热点研究方向。滑模控制是20世纪50年代由苏联科学家PotvulFstatein发明的一种非线性控制策略。与常规的线性控制策略不同的是其控制作用是不连续的，是一种变结构的控制策略，通过控制律中的切换作用使得被控对象的状态被限定在所设计的滑动平面上运动，并保证误差具有一定的收敛性。该控制策略具有响应快速、抗干扰能力强、对电机参数不敏感的特性。文献[26]设计的PMSM滑模控制单元，将模糊PID控制和自适应控制的思想相结合，主要应用于永磁同步电动机的不同条件下速度控制。文献[27]提出一种基于双滑模结构的故障容错控制策略，并给出了完整的仿真模型。自抗扰控制（ActivelDisturbancelRejectionlControl，lADRC）这一技术最早是由美籍加拿大学者韩京清提出的一种高性能的控制策略，ADRC控制器中包括了一个可以追溯某些特定类别的微分器、扩张状态传感器和反馈模块调制单元。这种控制策略对系统模型参数的依赖性小，能够及时观测系统运行过程中的误差，并通过反馈来消除误差，同时又能兼顾外界干扰所带来的影响，并及时进行反馈补偿。因此ADRC算法具有非常强的抗扰动能力。文献[28]考虑到PI控制器整定参数过程中容易出现的超调，和传感器监控转速造成的速度响应时间降低等一系列技术难题，更新了iADRC控制器使其具备更精准的跟踪效果。模型预测控制是近年来产生的一种新型控制策略，这种算法简单可靠且易于实现。首先对电机建立一种预测和控制模型，通过对比分析得出各个控制量在相同时间内的运行状态，最后将各个输出量带到目标函数中通过对比筛选最优控制量。文献[29]设计了新型模型预测控制器，提高了对各电量追踪和PMSM定子电流微小变化下的鲁棒性，给出了一种使用模型预测思想和Proportionallresonantl调节器的永磁同步电动机定子电枢电路实现，细化了电流环控制精度。神经网络控制是一种以模拟人脑思维控制过程的模型，通过模拟人脑神经元之间相互连接及信号传递关系来使得被控对象具有类似人工智能的工作特性。通常认为神经网络在被控对象中的应用主要包括两个组成部分，一个就是通过神经网络对系统辨识，实现了被控物体和受众之间的建模。二是采用传统的神经网络直接设计的控制器，能够有效地对不确定的系统和扰动做出控制REF_Ref3142279\r\h[30]。其在永磁同步电机的应用中通常用来进行参数辨识或与其他传统控制策略相结合来提高系统控制性能。我国的唐任远团队在文献[30]中提出完整的将神经网络控制算法和永磁同步电机相结合的控制理论，并将模糊网络控制器（FuzzylNeurallNetworklControl，lFNNC）通过仿真模型应用于对电机的速度控制，达到了较为良好的动态特性。文献[31]按照BP神经网络运算原理，设计了一种新型的PMSM感应电磁转矩网络结构，并对该结构进行了拓扑优化，这种逆向传播的思想简化了电机各种参数识别过程，提高了车用PMSM电动机整体性能，通过这种理论设计的新型转矩观测仪具有较高精度的转矩的输出特点，与传统的转矩估计数学模型相比，具有较高的可靠性、精度和准确率。以上方法中滑膜控制算法和自抗扰控制算法往往相互结合使用，模型预测控制实际作为一种模型搭建的思想，这种思想可以应用于任何相关控制领域，作为解算在开环控制中，获得最佳参数的方案，所以模型选取对该思想并无影响，但能否实现则需要具体分析模型结构。神经网络算法如今作为各种控制技术的热门研究领域，国内外的相关优质论文和研究成果不断涌现，人工智能和神经网络算法必将成为未来研究发展的主流趋势。参考文献国务院办公厅.国务院办公厅关于印发新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）的通知.2020.贾燕红,王浩,张锐,等.新能源汽车的发展现状与前景的研究[J].汽车实用技术,2014(03):11-13.张军,肖倩,孟庆阔.新能源汽车驱动电机发展现状及趋势分析[J].汽车工业研究,2018(06):43-47.林程,邢济垒,黄卓然,等.电动汽车永磁同步电机最优弱磁控制策略[J].汽车工程,2018,40(11):96-103.GhafarzadehM,HaririA,AliabadAD,etal.Design,Analysis,andFabricationofaDirectDrivePermanentNdFeBMagnetSynchronousMotorforPrecisionPositionControl[J].IETElectricPowerApplications,2020(02).王军.永磁同步电机智能控制技术[M].西南交通大学出版社,2015.袁雷,胡冰新,魏克银,等.现代永磁同步电机控制原理及MATLAB仿真[M].北京航空航天大学出版社,2016.WangL,ZhuH,YangZ.TuningMethodforPIControllersofPMSMDrivingSystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2014,29(05):104-117.解小刚,陈进.采用id=0的永磁同步电机矢量控制系统MATLAB/Sim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