永磁同步電機

1、電壓的調節

自動調節勵磁系統可以看成為一個以電壓為被調量的負反饋控制系統。無功負荷電流是造成發電機端電壓下降的主要原因，當勵磁電流不變時，發電機的端電壓將隨無功電流的增大而降低。但是為了滿足用戶對電能質量的要求，發電機的端電壓應基本保持不變，實現這一要求的辦法是隨無功電流的變化調節發電機的勵磁電流。

2、無功功率的調節：

發電機與系統並聯運行時，可以認為是與無限大容量電源的母線運行，要改變發電機勵磁電流，感應電勢和定子電流也跟著變化，此時發電機的無功電流也跟著變化。當發電機與無限大容量系統並聯運行時，為了改變發電機的無功功率，必須調節發電機的勵磁電流。此時改變的發電機勵磁電流並不是通常所說的“調壓”，而是只是改變了送入系統的無功功率。

3、無功負荷的分配：

並聯運行的發電機根據各自的額定容量，按比例進行無功電流的分配。大容量發電機應負擔較多無功負荷，而容量較小的則負提供較少的無功負荷。為了實現無功負荷能自動分配，可以通過自動高壓調節的勵磁裝置，改變發電機勵磁電流維持其端電壓不變，還可對發電機電壓調節特性的傾斜度進行調整，以實現並聯運行發電機無功負荷的合理分配。

自動調節勵磁的組成部件有機端電壓互感器、機端電流互感器、勵磁變壓器；勵磁裝置需要提供以下電流，廠用AC380v、廠用DC220v控制電源.廠用DC220v合閘電源；需要提供以下空接點，自動開機.自動停機.併網（一常開，一常閉）增，減；需要提供以下模擬信號，發電機機端電壓100V，發電機機端電流5A，母線電壓100V，勵磁裝置輸出以下繼電器接點信號；勵磁變過流，失磁，勵磁裝置異常等。

勵磁控制、保護及信號迴路由滅磁開關，助磁電路、風機、滅磁開關偷跳、勵磁變過流、調節器故障、發電機工況異常、電量變送器等組成。在同步發電機發生內部故障時除了必須解列外，還必須滅磁，把轉子磁場儘快地減弱到最小程度，保證轉子不過的情況下，使滅磁時間儘可能縮短，是滅磁裝置的主要功能。根據額定勵磁電壓的大小可分為線性電阻滅磁和非線性電阻滅磁。

近十多年來，由於新技術，新工藝和新器件的湧現和使用，使得發電機的勵磁方式得到了不斷的發展和完善。在自動調節勵磁裝置方面，也不斷研製和推廣使用了許多新型的調節裝置。由於採用微機計算機用軟體實現的自動調節勵磁裝置有顯著優點，目前很多國家都在研製和試驗用微型機計算機配以相應的外部設備構成的數字自動調節勵磁裝置，這種調節裝置將能實現自適應最佳調節。

獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。目前採用的勵磁方式分為兩大類：一類是用直流發電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統；另一類是用硅整流裝置將交流轉化成直流后供給勵磁的整流器勵磁系統。現說明如下：

1 直流勵磁機勵磁 直流勵磁機通常與同步發電機同軸，採用並勵或者他勵接法。採用他勵接法時，勵磁機的勵磁電流由另一台被稱為副勵磁機的同軸的直流發電機供給。如圖15.5所示。

2 靜止整流器勵磁 同一軸上有三台交流發電機，即主發電機、交流主勵磁機和交流副勵磁機。副勵磁機的勵磁電流開始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉為自勵(有時採用發電機)。副勵磁機的輸出電流經過靜止晶閘管整流器整流后供給主勵磁機，而主勵磁機的交流輸出電流經過靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發電機的勵磁繞組。(見圖15.6）

3 旋轉整流器勵磁 靜止整流器的直流輸出必須經過電刷和集電環才能輸送到旋轉的勵磁繞組，對於大容量的同步發電機，其勵磁電流達到數千安培，使得集電環嚴重過熱。因此，在大容量的同步發電機中，常採用不需要電刷和集電環的旋轉整流器勵磁系統，如圖15.7所示。主勵磁機是旋轉電樞式三相同步發電機，旋轉電樞的交流電流經與主軸一起旋轉的硅整流器整流后，直接送到主發電機的轉子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機經靜止的晶閘管整流器整流后供給。由於這種勵磁系統取消了集電環和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統。

優點：同步，可當發電機用

缺點：電刷容易壞，電機結構複雜，造價高

絕緣電阻測試儀 光纖光纜 拉力試驗機 油桶泵高低溫試驗箱計量泵 合金分析儀 溫度變送器紅外測溫儀 四川簡訊群發 複合鹽霧腐蝕試驗箱 噪音計 攪拌機 金屬元素分析儀 鮑爾環 不鏽鋼儀錶閥門 電磁流量計 電動執行器 旋進旋渦流量計 壓力變送器

1 引言

近年來，隨著電力電子技術、微電子技術、新型電機控制理論和稀土永磁材料的快速發展，永磁同步電動機得以迅速的推廣應用。與傳統的電勵磁同步電機相比，永磁同步電機,特別是稀土永磁同步電機具有損耗少、效率高、節電效果明顯的優點。永磁同步電動機以永磁體提供勵磁，使電動機結構較為簡單，降低了加工和裝配費用，且省去了容易出問題的集電環和電刷，提高了電動機運行的可靠性；又因無需勵磁電流，沒有勵磁損耗，提高了電動機的效率和功率密度，因而它是近幾年研究較多並在各個領域中應用越來越廣泛的一種電動機。在節約能源和環境保護日益受到重視的今天，對其研究就顯得非常必要。因此。這裡對永磁同步電機的控制策略進行綜述，並介紹了永磁同步電動機控制系統的各種控制策略發展方向。

2 永磁同步電動機的數學模型

當永磁同步電動機的定子通入三相交流電時，三相電流在定子繞組的電阻上產生電壓降。由三相交流電產生的旋轉電樞磁動勢及建立的電樞磁場，一方面切割定子繞組，並在定子繞組中產生感應電動勢；另一方面以電磁力拖動轉子以同步轉速旋轉。電樞電流還會產生僅與定子繞組相交鏈的定子繞組漏磁通，並在定子繞組中產生感應漏電動勢。此外，轉子永磁體產生的磁場也以同步轉速切割定子繞組。從而產生空載電動勢。為了便於分析，在建立數學模型時，假設以下參數：①忽略電動機的鐵心飽和；②不計電機中的渦流和磁滯損耗；③定子和轉子磁動勢所產生的磁場沿定子內圓按正弦分佈，即忽略磁場中所有的空間諧波；④各相繞組對稱，即各相繞組的匝數與電阻相同，各相軸線相互位移同樣的電角度。

在分析同步電動機的數學模型時，常採用兩相同步旋轉(d，q)坐標系和兩相靜止(α，β)坐標系。圖1給出永磁同步電動機在(d，q)旋轉坐標系下的數學模型。

(1)定子電壓方程為：

式中：r為定子繞組電阻；p為微分運算元，p=d/dt；id，iq為定子電流；ud，uq為定子電壓；ψd，ψq分別為磁鏈在d，q軸上的分量；ωf為轉子角速度(ω=ωfnp)；np為電動機極對數。

(2)定子磁鏈方程為：

式中：ψf為轉子磁鏈。

(3)電磁轉矩為：

式中：J為電機的轉動慣量。

若電動機為隱極電動機，則Ld=Lq，選取id，iq及電動機機械角速度ω為狀態變數，由此可得永磁同步電動機的狀態方程式為：

由式(7)可見，三相永磁同步電動機是一個多變數系統，而且id，iq，ω之間存在非線性耦合關係，要想實現對三相永磁同步電機的高性能控制，是一個頗具挑戰性的課題。

3 永磁同步電動機的控制策略

任何電動機的電磁轉矩都是由主磁場和電樞磁場相互作用產生的。直流電動機的主磁場和電樞磁場在空間互差90°，因此可以獨立調節；交流電機的主磁場和電樞磁場互不垂直，互相影響。因此，長期以來，交流電動機的轉矩控制性能較差。經過長期研究，目前的交流電機控制有恆壓頻比控制、矢量控制、直接轉矩控制等方案。

3．1 恆壓頻比控制

恆壓頻比控制是一種開環控制。它根據系統的給定，利用空間矢量脈寬調製轉化為期望的輸出電壓uout進行控制，使電動機以一定的轉速運轉。在一些動態性能要求不高的場所，由於開環變壓變頻控制方式簡單，至今仍普遍用於一般的調速系統中，但因其依據電動機的穩態模型，無法獲得理想的動態控制性能，因此必須依據電動機的動態數學模型。永磁同步電動機的動態數學模型為非線性、多變數，它含有ω與id或iq的乘積項，因此要得到精確的動態控制性能，必須對ω和id，iq解耦。近年來，研究各種非線性控制器用於解決永磁同步電動機的非線性特性。

3．2 矢量控制

高性能的交流調速系統需要現代控制理論的支持，對於交流電動機，目前使用最廣泛的當屬矢量控制方案。自1971年德國西門子公司F．Blaschke提出矢量控制原理，該控制方案就倍受青睞。因此，對其進行深入研究。

矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流電動機上模擬直流電機轉矩的控制規律，磁場定向坐標通過矢量變換，將三相交流電動機的定子電流分解成勵磁電流分量和轉矩電流分量，並使這兩個分量相互垂直，彼此獨立，然後分別調節，以獲得像直流電動機一樣良好的動態特性。因此矢量控制的關鍵在於對定子電流幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善轉矩控制性能，最終的實施是對id，iq的控制。由於定子側的物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉速旋轉，因此調節、控制和計算都不方便。需藉助複雜的坐標變換進行矢量控制，而且對電動機參數的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。

3．3 直接轉矩控制

矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動機控制方案。但因其需要複雜的矢量旋轉變換，而且電動機的機械常數低於電磁常數，所以不能迅速地響應矢量控制中的轉矩。針對矢量控制的這一缺點，德國學者Depenbrock於上世紀80年代提出了一種具有快速轉矩響應特性的控制方案，即直接轉矩控制(DTC)。該控制方案摒棄了矢量控制中解耦的控制思想及電流反饋環節，採取定子磁鏈定向的方法，利用離散的兩點式控制直接對電動機的定子磁鏈和轉矩進行調節，具有結構簡單，轉矩響應快等優點。DTC最早用於感應電動機，1997年L Zhong等人對DTC演演算法進行改造，將其用於永磁同步電動機控制，目前已有相關的模擬和實驗研究。

DTC方法實現磁鏈和轉矩的雙閉環控制。在得到電動機的磁鏈和轉矩值后，即可對永磁同步電動機進行DTC。圖2給出永磁同步電機的DTC方案結構框圖。它由永磁同步電動機、逆變器、轉矩估算、磁鏈估算及電壓矢量切換開關表等環節組成，其中ud，uq，id，iq為靜止(d，q)坐標系下電壓、電流分量。

雖然，對DTC的研究已取得了很大的進展，但在理論和實踐上還不夠成熟，例如：低速性能、帶負載能力等，而且它對實時性要求高，計算量大。

3．4 解耦控制

永磁同步電動機數學模型經坐標變換后，id，iq之間仍存在耦合，不能實現對id和iq的獨立調節。若想使永磁同步電動機獲得良好的動、靜態性能，就必須解決id，iq的解耦問題。若能控制id恆為0，則可簡化永磁同步電動機的狀態方程式為：

此時，id與iq無耦合關係，Te=npψfiq，獨立調節iq可實現轉矩的線性化。實現id恆為0的解耦控制，可採用電壓型解耦和電流型解耦。前者是一種完全解耦控制方案，可用於對id，iq的完全解耦，但實現較為複雜；後者是一種近似解耦控制方案，控制原理是：適當選取id環電流調節器的參數，使其具有相當的增益，並始終使控制器的參考輸入指令id*=O，可得到id≈id*=0，iq≈iq*o，這樣就獲得了永磁同步電動機的近似解耦。圖3給出基於矢量控制和id*=O解耦控制的永磁同步電動機

調速系統框圖。

雖然電流型解耦控制方案不能完全解耦，但仍是一種行之有效的控制方法，只要採取較好的處理方式，也能得到高精度的轉矩控制。因此，工程上使用電流型解耦控制方案的較多。然而，電流型解耦控制只能實現電動機電流和轉速的靜態解耦，若實現動態耦合會影響電動機的控制精度。另外，電流型解耦控制通過使耦合項中的一項保持不變，會引入一個滯后的功率因數。

4 結語

上述永磁同步電動機的各種控制策略各有優缺點，實際應用中應當根據性能要求採用與之相適應的控制策略，以獲得最佳性能。永磁同步電動機以其卓越的性能，在控制策略方面已取得了許多成果，相信永磁同步電動機必然廣泛地應用於國民經濟的各個領域。

按照不同的工農業生產機械的要求，電機驅動又分為定速驅動、調速驅動和精密控制驅動三類。

1、定速驅動

工農業生產中有大量的生產機械要求連續地以大致不變的速度單方向運行，例如風機、泵、壓縮機、普通機床等。對這類機械以往大多採用三相或單相非同步電動機來驅動。非同步電動機成本較低，結構簡單牢靠，維修方便，很適合該類機械的驅動。但是，非同步電動機效率、功率因數低、損耗大，而該類電機使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費了。其次，工農業中大量使用的風機、水泵往往亦需要調節其流量，通常是通過調節風門、閥來完成的，這其中又浪費了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調節風機、水泵中非同步電動機轉速來調節它們的流量，取得可觀的節能效果，但變頻器的成本又限制了它的使用，而且非同步電動機本身的低效率依然存在。

例如，家用空調壓縮機原先都是採用單相非同步電動機，開關式控制其運行，雜訊和較高的溫度變化幅度是它的不足。90年代初，日本東芝公司首先在壓縮機控制上採用了非同步電動機的變頻調速，變頻調速的優點促進了變頻空調的發展。近年來日本的日立、三洋等公司開始採用永磁無刷電動機來替代非同步電動機的變頻調速，顯著提高了效率，獲得更好的節能效果和進一步降低了雜訊，在相同的額定功率和額定轉速下，設單相非同步電動要的體積和重量為100%，則永磁無刷直流電動機的體積為38.6%，重量為34.8%，用銅量為20.9%，用鐵量為36.5%，效率提高10%以上，而且調速方便，價格和非同步電動機變頻調速相當。永磁無刷直流電動機在空調中的應用促進了空調劑的升級換代。

再如儀器儀錶等設備上大量使用的冷卻風扇，以往都採用單相非同步電動機外轉子結構的驅動方式，它的體積和重量大，效率低。近年來它已經完全被永磁無刷直流電動機驅動的無刷風機所取代。現代迅速發展的各種計算機等信息設備上更是無例外地使用著無刷風機。這些年，使用無刷風機已形成了完整的系列，品種規格多，外框尺寸從15mm到120mm共有12種，框架厚度有6mm到18mm共7種，電壓規格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V，轉速範圍從 2100rpm到14000rpm，分為低轉速、中轉速、高轉速和超高轉速4種，壽命30000小時以上，電機是外轉子的永磁無刷直流電動機。

近年來的實踐表明，在功率不大於10kW而連續運行的場合，為減小體積、節省材料、提高效率和降低能耗等因素，越來越多的非同步電動機驅動正被永磁無刷直流電動機逐步替代。而在功率較大的場合，由於一次成本和投資較大，除了永磁材料外，還要功率較大的驅動器，故還較少有應用。

2、調速驅動

有相當多的工作機械，其運行速度需要任意設定和調節，但速度控制精度要求並不非常高。這類驅動系統在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有大量應用。在這類調速應用領域最初用的最多的是直流電動機調速系統，70年代后隨電力電子技術和控制技術的發展，非同步電動機的變頻調速迅速滲透到原來的直流調速系統的應用領域。這是因為一方面非同步電動機變頻調速系統的性能價格完全可與直流調速系統相媲美，另一方面非同步電動機與直流電動機相比有著製造工藝簡單、效率高、同功率電機用銅量少、維護保養方便等優點。故非同步電動機變頻調速在許多場合迅速取代了直流調速系統。

交流永磁同步電動機由於其體積小、重量輕、高效節能等一系列優點，是當今社會的低碳電機。已越來越引起人們重視，由於同步電機的運行特性和其控制技術日趨成熟。中小功率的直流電動機、非同步電動機變頻調速正逐步被永磁同步電動機調速系統所取代。電梯驅動就是一個典型的例子。電梯的驅動系統對電機的加速、穩速、制動、定位都有一定的要求。早期人們採用直流電動機調速系統，其缺點是效率低、維護保養困難。70年代變頻技術發展成熟，非同步電動機的變頻調速驅動迅速取代了電梯行業中的直流調速系統。而這近十年電梯行業中逐漸採用最新驅動技術就是永磁同步電動機調速系統，其體積小、節能、控制性能好、又容易做成低速直接驅動，消除齒輪減速裝置；其低雜訊、平層精度和舒適性都優於以前的驅動系統，也適合在無機房電梯中使用。永磁同步電動機驅動系統很快得到各個行業的青睞，與其配套的各種變頻器系列產品已有多種品牌上市。可以預見，在調速驅動的場合，將會是永磁同步電動機的天下。日本富士公司已推出系列的三相永磁同步電動機產品及相配的變頻控制器，功率從0.4kW～750kW體積比同容量非同步電動機小1～2個機座號，力能指標明顯高於非同步電動機，可用於機床、泵、壓縮機、起重運輸機械、擠出機械、升降機等多種場合。

3、精密控制驅動

① 高精度的伺服控制系統

伺服電動機在工業自動化領域的運行控制中扮演了十分重要的角色，應用場合的不同對伺服電動機的控制性能要求也不盡相同。實際應用中，伺服電動機有各種不同的控制方式，例如轉矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。伺服電動機系統也經歷了直流伺服系統、交流伺服系統、步進電機驅動系統，直至近年來最為引人注目的永磁電動機交流伺服系統。最近幾年進口的各類自動化設備、自動加工裝置和機器人等絕大多數都採用永磁同步電動機的交流伺服系統。

② 信息技術中的永磁同步電動機

當今信息技術高度發展，各種計算機外設和辦公自動化設備也隨之高度發展，與其配套的關鍵部件微電機需求量大，精度和性能要求也越來越高。對這類微電機的要求是小型化、薄形化、高速、長壽命、高可靠、低雜訊和低振動，精度要求更是特別高。例如，硬碟驅動器用主軸驅動電機是永磁無刷直流電動機，它以近10000rpm的高速帶動碟片旋轉，碟片上執行數據讀寫功能的磁頭在離碟片表面只有0.1～0.3微米處作懸浮運動，其精度要求之高可想而知了。信息技術中各種設備如印表機、軟硬碟驅動器、光碟驅動、傳真機、複印機等中所使用的驅動電機絕大多數是永磁無刷直流電動機。受技術水平限制，這類微電機目前國內還不能自己製造，有部分產品在國內組裝。

永磁同步電機主要由定子、轉子和端蓋等部件構成，定子由疊片疊壓而成以減少電動機運行時產生的鐵耗，其中裝有三相交流繞組，稱作電樞。轉子可以製成實心的形式，也可以由疊片壓制而成，其上裝有永磁體材料。根據電機轉子上永磁材料所處位置的不同，永磁同步電機可以分為突出式與內置式兩種結構形式，圖1給出相應的示意圖。突出式轉子的磁路結構簡單，製造成本低，但由於其表面無法安裝啟動繞組，不能實現非同步起動。

內置式轉子的磁路結構主要有徑向式、切向式和混合式3種，它們之間的區別主要在於永磁體磁化方向與轉子旋轉方向關係的不同。圖2給出3種不同形式的內置式轉子的磁路結構。由於永磁體置於轉子內部，轉子表面便可製成極靴，極靴內置入銅條或鑄鋁等便可起到啟動和阻尼的作用，穩態和動態性能都較好。又由於內置式轉子磁路不對稱，這樣就會在運行中產生磁阻轉矩，有助於提高電機本身的功率密度和過載能力，而且這樣的結構更易於實現弱磁擴速。

當三相電流通入永磁同步電機定子的三相對稱繞組中時，電流產生的磁動勢合成一個幅值大小不變的旋轉磁動勢。由於其幅值大小不變，這個旋轉磁動勢的軌跡便形成一個圓，稱為圓形旋轉磁動勢。其大小正好為單相磁動勢最大幅值的1.5倍，即

式中，F為圓形旋轉磁動勢，(T・m)；Fφl為單相磁動勢的最大幅值，(T・m)；k為基波繞組係數；p為電機極對數；N為每一線圈的串聯匝數；I為線圈中流過電流的有效值，A由於永磁同步電機的轉速恆為同步轉速，因此轉子主磁場和定子圓形旋轉磁動勢產生的旋轉磁場保持相對靜止。兩個磁場相互作用，在定子與轉子之間的氣隙中形成一個合成磁場，它與轉子主磁場發生相互作用，產生了一個推動或者阻礙電機旋轉的電磁轉矩Te，即

式中，Te為電磁轉矩，(N・m)；0為功率角，rad；BR為轉子主磁場，T；Bnet為氣隙合成磁場，T。由於氣隙合成磁場與轉子主磁場位置關係的不同，永磁同步電機既可以運行於電動機狀態也可以運行於發電機狀態，永磁同步電機的三種運行狀態如圖3所示。當氣隙合成磁場滯後於轉子主磁場時，產生的電磁轉矩與轉子旋轉方向相反，這時電機處於發電狀態；相反，當氣隙合成磁場超前於轉子主磁場時，產生的電磁轉矩與轉子旋轉方向相同，這時電機處於電動狀態。轉子主磁場與氣隙合成磁場之間的夾角稱為功率角。

永磁同步電機由兩個關鍵部件組成，即一個多極化永磁轉子和帶有適當設計繞組的定子。在操作過程中，旋轉的多極化永磁轉子在轉子與定子的氣隙形成一個隨時間變化的磁通。這個通量在定子繞組端子上產生交流電壓，從而形成用於發電的基礎。在此處所討論的永磁同步電機使用一個安裝在鐵磁芯上的環形永磁鐵。內部永磁同步電機不在這裡考慮。因磁鐵嵌入到一個電鍍的鐵磁芯內是非常困難的，通過使用適當厚度的磁鐵（500μm）以及在轉子和定子鐵芯的高性能磁材料，氣隙可以做得非常大（300~500μm）而沒有明顯的性能損失，這使得定子繞組在氣隙中佔據一定的空間，從而大大簡化了永磁同步電動機的製造。

按勵磁電流的供給方式分類

永磁同步電機是利用永磁體建立勵磁磁場的同步電機，其定子產生旋轉磁場，轉子用永磁材料製成。同步電機實現能量轉換需要一個直流磁場，產生這個磁場的直流電流稱為電機的勵磁電流。

● ● 他勵電機：從其他電源獲得勵磁電流的電機。 

● ● 自勵電機：從電機本身獲得勵磁電流的電機。 

按供電頻率分類

永磁無刷電機包括永磁無刷直流電機和永磁無刷交流電機兩種類型，作為電動機運行時均需變頻供電。前者只需要方波型逆變器供電，後者需要正弦波型逆變器供電。

按氣隙磁場分佈分類

● ● 正弦波永磁同步電機：磁極採用永磁材料，輸入三相正弦波電流時，氣隙磁場按正弦規律分佈，簡稱為永磁同步電機。 

● ● 梯形波永磁同步電機：磁極仍為永磁材料，但輸入方波電流，氣隙磁場呈梯形波分佈，性能更接近於直流電機。用梯形波永磁同步電機構成的自控變頻同步電機又稱為無刷直流電機。 

永磁同步電機恆壓頻比控制方法

永磁同步電機的恆壓頻比控制方法與交流感應電機的恆壓頻比控制方法相似，控制電機輸入電壓的幅值和頻率同時變化，從而使電機磁通恆定，恆壓頻比控制方法可以適應大範圍調速系統的要求。

在不反饋電流、電壓或位置等物理信號的前提下，仍能達到一定的控制精度，這是恆壓頻比控制方法的最大優點。恆壓頻比控制方法控制演演算法簡單、硬體成本低廉，在通用變頻器領域得到了廣泛應用。恆壓頻比控制方法的缺點也顯而易見，由於在控制過程中沒有反饋速度、位置或任何其他的信號，所以幾乎完全不能獲得電機的運行狀態信息，更無法精確控制轉速或電磁轉矩，系統性能一般，動態響應較差，尤其在給定目標速度發生變化或者負載突變時，容易產生失步和振蕩等問題。顯然，該種控制方法不能分別控制轉矩和勵磁電流，在控制過程中容易存在較大的勵磁電流，影響電機的效率。因此，此種控制方法常用於性能需求較低的通用變頻器中，如空調、流水線的傳送帶驅動控制、水泵和風機的節能運行等。

永磁同步電機直接轉矩控制技術

直接轉矩控制（Direct Self-Control ，DSC）在定子靜止坐標繫上構建磁鏈和電磁轉矩模型，通過施加不同的電壓矢量實現電磁轉矩和定子磁鏈的控制。直接轉矩控制方法有著演演算法簡單、轉矩響應好等優點，因此，在要求高瞬態轉矩響應的場合，此種方法得到了廣泛應用。

由於控制存在固有的缺點使得直接轉矩控制方法在速度較低時控制頻率低，轉矩脈動較大。因此減小低速時的轉矩脈動也成了直接轉矩控制方法中的研究熱點，孫笑輝等通過優化電壓矢量作用時間來減小低速時的轉矩脈動，效果較好。D.casadei等人基於離散空間矢量調製技術將直接轉矩控制方法應用於交流感應電機的控制中，減小了轉矩脈動。

永磁同步電機矢量控制技術

矢量控制技術誕生於上世紀 70 年代初，永磁同步電機的矢量控制系統是參照直流電機的控制策略，利用坐標變換將採集到的電機三相定子電流、磁鏈等矢量按照轉子磁鏈這一旋轉矢量的方向分解成兩個分量，一個沿著轉子磁鏈方向，稱為直軸勵磁電流；另一個正交於轉子磁鏈方向，稱為交軸轉矩電流。根據不同的控制目標調節勵磁電流和轉矩電流，進而實現對速度和轉矩的精確控制，使控制系統獲得良好的穩態和動態響應特性。

根據不同的控制目標，永磁同步電機矢量控制演演算法可以分為以下幾種：id=0控制、最大轉矩/電流控制、弱磁控制等。這些性能指標均可以通過對直軸勵磁電流和交軸轉矩電流的獨立控制來實現。

永磁同步電機可以將電機整體地安裝在輪軸上，形成整體直驅系統，即一個輪軸就是一個驅動單元，省去了一個齒輪箱。永磁同步電機的優點如下：

1、永磁同步電機本身的功率效率高以及功率因數高；

2、永磁同步電機發熱小，因此電機冷卻系統結構簡單、體積小、雜訊小；

3、系統採用全封閉結構，無傳動齒輪磨損、無傳動齒輪雜訊，免潤滑油、免維護；

4、永磁同步電機允許的過載電流大，可靠性顯著提高；

5、整個傳動系統重量輕，簧下重量也比傳統的輪軸傳動的輕，單位重量的功率大；

6、由於沒有齒輪箱，可對轉向架系統隨意設計：如柔式轉向架、單軸轉向架，使列車動力性能大大提高。

7、由於採用了永磁材料磁極，特別是採用了稀土金屬永磁體(如釹鐵硼等)，其磁能積高，可得到較高的氣隙磁通密度，因此在容量相同時，電機的體積小、重量輕。

8、轉子沒有銅損和鐵損，也沒有集電環和電刷的摩擦損耗，運行效率高。

9、轉動慣量小，允許的脈衝轉矩大，可獲得較高的加速度，動態性能好，結構緊湊，運行可靠。

電機轉矩特性

為了提高電機的轉矩特性，許多學者和研究機構在永磁同步電機的結構設計上進行了大膽的嘗試和革新，並且取得了許多新進展。為了解決槽寬和齒部寬度的矛盾，開發了橫向磁通電( transverse flux machine)技術，電樞線圈和齒槽結構在空間上垂直，主磁通沿著電機的軸向流通，提高了電機的功率密度；採用雙層的永磁體布置，使得電機的交軸電導提高，從而增加了電機的輸出轉矩和最大功率；改變定子齒形和磁極形狀以減少電機的轉矩脈動等。

弱磁擴速能力

採用弱磁控制后，永磁同步電機的運行特性更加適合電動汽車的驅動要求。在同等功率要求的情況下，降低了逆變器容量，提高了驅動系統的效率。因此，電動汽車驅動用永磁同步電機普遍採用弱磁擴速。為此，國內外的研究機構提出了多種方案，如採用雙套定子結構，在不同轉速時使用不同繞組，以最大限度地利用永磁體磁場；採用複合轉子結構，轉子增加磁阻段以控制電機直軸和交軸的電抗參數，從而增加電機擴速能力；定子採用深槽以增加直軸漏抗以擴大電機的轉速範圍。

電機控制理論

由於永磁同步電機具有非線性和多變數等特點，其控制難度大，控制演演算法複雜，傳統的矢量控制方法往往不能滿足要求。為此，一些先進的控制方法在永磁同步電機調速系統中得到應用，包括自適應觀測器、模型參考自適應、高頻信號注入法及模糊控制、遺傳演演算法等智能控制方法。這些控制方法不依賴於控制對象的數學模型，適應性和魯棒性好，對於永磁同步電機這樣的非線性強的系統具有獨特的優勢。