前言：随着控制技术和硬件技术的不断进步，电机在设计制造中获得了越来越多的重视，其中永磁同步电机矢量控制算法作为优化永磁同步电机性能和降低永磁同步电机功耗及提高电机效率和节能潜力的关键环节之一，利用该优化算法成功实现对转速、电流和功率进行矢量调整，得到最佳转矩曲线。
1.永磁同步电机矢量控制算法的设计
1.1永磁同步电机的基本原理
永磁同步电机是一种新型有磁无刷直流电动机，其基本原理是利用磁通转矩，以恒定电流，电机运行时电动机转速与定子磁场的磁通分布方向相同，转子磁通随磁场强弱不同而改变。由于转子磁场是恒定的，所以具有恒定的磁场强度和功率因数，在交流电动机中，它的转子磁场是恒定的、而转子磁通的磁矩是变化的，这就使得它具有恒定的磁阻抗和转矩常数。同时由于电磁转矩恒定，所以它具有恒定的磁场强度，这就使得它具有恒定的转矩电流及其恒定的转矩特性。本文将通过分析永磁同步电机的设计原理，确定永磁同步电机驱动方式，并通过仿真实验研究了其相关性能指标。永磁同步电机是一种由两个永磁铁心组成的异步交流电动机，它是由励磁磁环和定子磁场两部分组成的，励磁磁环和定子磁场的相对磁通为正向磁通，且励磁磁环和定子磁场的相对磁通为负向磁通，且励磁磁环在旋转过程中产生了磁场方向转换成机械方向转矩。由于励磁磁环和定子磁场之间具有很强的耦合作用，所以在启动时励磁磁环需要将励磁磁环转矩从旋转状态转移到高速状态。当永磁同步电机工作于高速状态时励磁磁环和定子线圈的相对电量发生变化，并根据改变的方向对其进行矢量调整。从而达到永磁同步电机的恒定和高扭矩的性能指标。图1为永磁同步电机控制系统结构。
图1永磁同步电机控制系统结构
1.2永磁同步电机的驱动方式
永磁同步电机由于励磁磁环和定子磁场之间具有很强的耦合作用，所以它会产生机械往复运动，而转子的转动会引起励磁磁环转动方向的变化，从而形成机械方向转矩，当转盘上出现励磁磁环转矩变化后就会通过改变电枢极数得到转矩电流的变化，从而引起永磁同步电机的转子转动方向发生相应改变。采用恒转矩驱动方案时励磁磁环产生的转速和定子磁场变化幅度较小，因此具有很高的功率因数和磁阻系数，有利于降低铁芯损耗和提高系统效率。而采用自恢复驱动方式，励磁磁环产生的磁阻抗和转矩常数不变，其性能参数几乎不变。当励磁磁环所用铁心不变时，其永磁同步电机也就不会产生转矩反转从而造成系统损失，若电机以一定的速度连续转动时转速和转矩将不会随时间发生变化。根据恒转矩效应理论预测磁通在旋转时所消耗的能量与定子磁场相比具有很大优势：能提高定子磁力作用下电动机的可靠性和寿命，节能环保，有利于系统设备的更新换代，适合大型设备或需要高功率因数电动机工作，在系统设计中具有很高的可调性。
2.永磁同步电机仿真实验研究
2.1最佳电压和电流
永磁同步电机的电压和电流可以通过控制电压电流来实现。在计算功率转换方程时，要考虑不同功率转换系数下的电压电流特性。一般功率值较大时，应适当提高其电压，使电机在额定工作电压下保持稳定运行。从电流仿真实验中可以看出，在额定工作电压下，电压越高电流越大。
2.2电压响应
永磁同步电机是由转子绕组、磁钢定子绕组、三相转矩轴、转子端盖、定子绕组等组成。在运行过程中，转子绕组上会出现电磁力，使电机产生转矩。通过仿真实验可以得出，不同转速下，电流和功率随着转速的增大，从而实现最佳转速与定子电流和功率的实时控制。因此在电压响应方面要进行计算分析。具体计算过程如下：其中Pt为转子和定子的电磁力强度。由于永磁同步电动机使用高速永磁体对永磁材料进行磁化加工，因此功率因数要达到0.9以上。本文采用二阶梯度反调方法对该过程进行优化设计。
2.3仿真转矩曲线
永磁同步电机具有较高的转速和较大的电流，因此需要采用合理的调速方式来提高转速和电流，进而实现最佳控制效果。根据仿真实验的结果可以得出，随着转速不断增加，有效转矩值逐渐减小，到了设定值时再增大有效转矩值即可实现效率最优。此外可以得出该模型具有较高的精度，并且能够实现对转速及输入电流的实时响应，因此采用合理的矢量控制算法可以使仿真结果更加真实合理。根据实验可以得知与最优运行条件下相比，仿真结果可以明显地看到电机得到最大控制转矩值后转矩波动会有明显的减小，有效转矩值增大了30%~50%左右。虽然在实验中可以明显地看到该电压、电流在给定电压时处于正弦变化曲线上，但随着转速不断增加，有效转矩不断减小，而在给定电流时由于存在较大扰动和转矩瞬时变化使得有效转矩曲线呈现波峰震荡特征，使得该电压、电流在给定电流时难以得到较好的控制效果。因此需要对该电压、电流进行精确控制进行分析来实现高效运行时所需最优解[1]。
2.4控制效果实验数据对比分析
对实验数据进行分析，计算转速变化对各实验数据的影响，并对比分析得到功率的变化，从而得出电流影响程度。首先，可以看出随着电流的增大，在三个运行周期内，不同速度下电流均呈上升趋势，而电压随着转矩越大，电流及电压均呈下降趋势。其次，从电机运行周期（0~20s）的电流及电压曲线中可以看出电流大小随着转速增大而不断增大。由此可见，电机设计了一种对速度及功率均有一定影响的矢量控制算法，可以较好地控制电机的功率及电流。另外，可以看出电流影响程度随着车速增大，而在转速达到一定水平时，即加速到一定速度后，电流会随转矩值逐渐减小。同时，随着转速的增大，电流也随之逐渐增大，因此随着转速增大电流越大越小。因此可以得出：在提高功率和电流时要进行调整，以达到最优。同时还可以看到随着转矩由高向低逐渐增加，因此可以满足电机在转速变化过程中对功率和电流的需求并且转矩增大而电流降低产生了效率提高，满足一定功率后效率降低的要求，在保证转矩及电流满足要求的前提下可减少体积以及重量等增加使用范围也更广[2]。
结束语：矢量控制算法在保证转子磁通保持恒定的前提下，利用最大电流闭环控制方法实现了电机矢量控制，在保证转子磁通恒定的情况下，通过合理调整定子磁场半径来改善电机性能，实现了低电磁损耗和高速永磁同步电动机的开发，根据相关实验结果分析并证明该算法可以实现低电磁损耗和高速永磁同步电动机，具有良好的应用前景。
参考文献：
[1]黄钢.大孔径永磁同步电主轴定转子的电磁方案设计[J].现代制造技术与装备,2022,58(02):6-8.
[2]吴磊,于慎波,于言明,窦汝桐,翟凤晨.永磁同步电主轴机电耦联转子动力学分析[J].组合机床与自动化加工技术,2021(11):10-14.
