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PWM控制和电流控制发展，这些DSP都具备多通道AD转换和PWM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PWM控制提供了新的方法。应用CPLD/FPGA技术可以实现PWM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。