1 引言
永磁同步電動機的突出優點是轉子轉動慣量小、效率高、功率密度大、可靠性高，正是因為這些優點，永磁同步電動機非常適合應用于高性能伺服系統中。因而，在諸如工業機器人、數控機床等應用場合，永磁同步電動機正在逐步取代直流電動機和感應電動機。
在上個世紀的90年代，有些學者把基本直接轉矩控制思想應用到了永磁同步電動機控制系統中。由于基本直接轉矩控制存在轉矩脈動和磁鏈脈動大的問題，為了進一步提高永磁同步電動機直接轉矩控制系統的性能，在過去10年間，出現了許多種改進的永磁同步電動機直接轉矩控制方法。
本文對永磁同步電動機直接轉矩控制策略進行了綜述，介紹了幾種改進的永磁同步電動機直接轉矩控制策略的實現方法，以及存在的問題，最后對永磁同步電動機直接轉矩控制系統的發展方向進行了簡單的討論。
2 永磁同步電動機的基本直接轉矩控制原理
凸極式永磁同步電動機的轉矩公式可以表示為：
（1）
其中：δ為負載角，即定子磁鏈矢量ψs和轉子磁鏈矢量ψr之間的夾角；np為永磁同步電動機的極對數，ld為定子的d軸電感，lq為定子的q軸電感。
定子磁鏈矢量、轉子磁鏈矢量、負載角和電壓矢量之間的關系如圖1所示。
圖1 定子磁鏈矢量、轉子磁鏈矢量和電壓矢量之間的關系
凸極式永磁同步電動機的特點是，定子的d軸電感ld要比定子q軸電感lq小。對于隱極式永磁同步電動機，ld和lq相同，則式（1）變為
（2）
從式（1）和式（2）可以看出，如果定子磁鏈恒定不變，可以通過改變負載角來實現對電磁轉矩的控制。
當永磁同步電動機用三相逆變器供電時，可以通過控制開關信號產生8個電壓矢量，如圖1所示，其中包括6個工作電壓矢量（u1～u6）和2個零電壓矢量（u0和u7），根據電磁感應定律，定子磁鏈矢量的計算方法為:
（3）
式中，rs為定子電阻，us和is分別為定子電壓矢量和定子電流矢量。如果忽略定子電阻上產生的電壓降，利用式（3）可以得到定子電壓矢量的變化量為：
（4）
式中，ts為定子電壓矢量的作用時間。
每一個工作電壓矢量都可以分解成兩個分量，一個分量和定子磁鏈矢量方向一致，稱為徑向分量；一個分量和定子磁鏈矢量方向垂直，稱為切向分量。從式（4）可以看出，徑向分量可以改變定子磁鏈的模值；切向分量可以改變定子磁鏈的轉速。通過選擇合適的電壓矢量可以實現對定子磁鏈矢量的模值和負載角的控制，進而實現對定子磁鏈和電磁轉矩的精確控制。和異步電動機不同的地方是，永磁同步電動機定子磁鏈的初始值不為0，其大小和方向取決于轉子的初始位置。
3 永磁同步電動機直接轉矩控制策略的實現方法
文獻[1]中，首次提出了永磁同步電動機直接轉矩控制策略，然而，從本質上講，這種控制策略不能算作真正的直接轉矩控制方法，這是因為這種控制方法是通過控制電動機的定子電流來實現的永磁同步電動機直接轉矩控制。文獻[2]中提出的直接轉矩控制方法是對電磁轉矩和定子電流d軸分量的控制，也不屬于真正的直接轉矩控制。本文不討論以上兩種類型的直接轉矩控制策略。
在文獻[3]中對直接轉矩控制方法進行了很好的綜述，但是其討論的重點是異步電動機的直接轉矩控制方法。
3.1 開關表直接轉矩控制策略
（1）基本開關表的直接轉矩控制策略
這種直接轉矩控制系統的結構如圖2所示。在圖2中，
為電磁轉矩的給定值，
為定子磁鏈模值的給定值，上標^表示估計值。和
的比較結果通過磁鏈比較器后得到
，可以取為兩個值，分別為＋1、－1。
的比較結果通過轉矩比較器后得到et，et可以取為三個值，分別為－1、0、1。在8個定子電壓矢量中，通過開關表選擇一個合適的定子電壓矢量，作為永磁同步電動機的定子電壓矢量給定值。
文獻[4]使用這種基本的直接轉矩控制方法，實現了永磁同步電動機直接轉矩控制系統。文獻[5]使用相同的開關表，實現了異步電動機直接轉矩控制系統。
圖2 永磁同步電動機基本直接轉矩控制系統框圖
在文獻[6]中，也提出了相似的永磁同步電動機直接轉矩控制方法，但是，開關表輸出的電壓矢量中不包含零電壓矢量。
在文獻[7][8]中，使用了相同的直接轉矩控制方法，但是對開關表作了簡化處理，同時，使用一個低分辨率的光電碼盤實現了定子磁鏈的初始定位。
文獻[9]基于這種控制思想，提出了一種最大轉矩/磁鏈控制方法。
基于相同的控制思想，文獻[10]提出了一種最優效率直接轉矩控制方法。
（2）基于多電壓合成開關表的直接轉矩控制策略
基本直接轉矩控制方法的主要缺點是，轉矩和定子磁鏈的脈動分量大。在基本直接轉矩控制中，只能在8個電壓空間矢量中選擇一個作為定子電壓的給定空間矢量，這樣得到的定子電壓空間矢量并不一定是最優的。
文獻[11]中，提出了一種基于電壓空間矢量調制（space vector modulation，svm）方法的直接轉矩控制策略（svm-dtc）。電壓空間矢量調制方法的最大優點是，可以利用基本電壓空間矢量（u0～u7）合成72個電壓空間矢量，因而在svm-dtc中，可以根據轉矩控制誤差和磁鏈控制誤差，按照一定的原則在更多的電壓空間矢量中，選擇一個最優的電壓空間矢量。svm-dtc控制方法有效的降低了電磁轉矩脈動和磁鏈脈動。
多電平電壓源型逆變器可以合成出更多的電壓空間矢量，從而可以更有效的減小轉矩脈動和磁鏈脈動，同時可以降低開關頻率。但是，和兩電平逆變器相比，利用多電平逆變器實現的直接轉矩控制系統，需要更多的開關器件，增加了整個調速系統的成本和復雜性，同時也增加了逆變器的開關損耗，文獻[12]對多電平逆變器異步電動機直接轉矩控制系統進行了研究，而關于多電平永磁同步電動機直接轉矩系統的研究工作還未見報道。
3.2 恒開關頻率的直接轉矩控制策略
恒開關頻率的直接轉矩控制策略都是利用永磁同步電動機的數學模型，計算出在下一個控制周期的最優定子電壓給定值，然后使用svm調制方法產生定子電壓矢量。這類控制方法的特點是逆變器的開關頻率恒定，能夠有效地降低轉矩脈動，可以降低控制系統地采樣頻率。但是，這類控制方法在計算定子電壓的過程中，一般需要使用電動機參數，從而存在計算量大的缺點。如果根據最優電壓矢量的計算方法進行分類，恒開關頻率的直接轉矩控制策略主要包括以下幾種。
（1）轉矩閉環svm-dtc控制策略
轉矩閉環svm-dtc控制策略的系統結構框圖如圖3所示。
圖3 永磁同步電動機svm-dtc控制系統框圖
在文獻[13]中，轉矩控制誤差作為pi調節器的輸入，pi調節器的輸出為負載角改變量δδ，δδ和負載角的估計值
相加得到負載角的給定值δ* ?？刂破鱲cc根據δδ、定子磁鏈給定值、定子磁鏈估計值和定子電流的測量值is計算出定子電壓的給定值
。svm模塊利用定子電壓給定值產生開關信號，驅動逆變器工作，實現對永磁同步電動機的控制。這種控制方法有效地降低了轉矩脈動和磁鏈脈動，但是，在這種控制系統，pi調節器的參數整定困難。
（2）預測直接轉矩控制策略
文獻[14]中介紹了一種永磁同步電動機預測直接轉矩控制策略，結構框圖如圖4所示。這種控制策略的基本思想是，根據永磁同步電動機的動態方程，對將來的電磁轉矩值進行預測，然后根據電磁轉矩的預測值，確定逆變器的開關信號。在這種控制策略中，逆變器開關信號的確定方法是，當控制周期ts一定時，根據動態數學模型計算出在某個工作電壓矢量下，電磁轉矩到達到允許波動極限的時間t1，在t1時間段內，把這個工作電壓矢量作為給定定子電壓矢量，在ts-t1時間段內，選擇合適的零電壓矢量。從以上分析可見，使用這種控制策略可以把轉矩波動量控制在一個設定的范圍內。但是，這種控制策略的缺點是，當調速系統處于穩態時，轉矩也在設定的上下限內波動，而不能處于穩定狀態，另外，在預測電磁轉矩的過程中，需要使用永磁同步電動機的電機參數，所以這種控制策略的性能受參數變化的影響比較大。
圖4 永磁同步電動機預測直接轉矩控制系統框圖
（3）變結構直接轉矩控制方法
文獻[15]針對永磁同步電動機提出了一種變結構直接轉矩控制方法，得到了滑動曲面和滑模控制律，在計算給定定子電壓矢量的過程中，需要使用轉矩控制誤差、磁鏈控制誤差、定子電壓矢量、轉子轉速等電機狀態變量，從而，這種方法對電機參數變化不具有魯棒性。
4 定子磁鏈估計方法
在各種永磁同步電動機直接轉矩控制系統中，無論是轉矩控制環節，還是磁鏈控制環節都需要使用定子磁鏈的估計值，定子磁鏈的估計精度直接決定著整個系統的性能，從而定子磁鏈的估計問題成為了各國學者的研究熱點。估計定子磁鏈的一種簡單方法是，利用方程式（3），對定子電壓和定子電流進行積分，得到定子磁鏈的估計值。這種定子磁鏈估計方法的優點是，只需要使用一個電機參數rs，從而對電機參數變化具有較強的魯棒性，缺點是由于積分的累計效應，即使在電壓和電流測量值中存在很小的直流分量，都會在定子磁鏈估計值中產生很大的誤差。
為了減小直流分量對定子磁鏈估計精度的影響，文獻[16]中提出了一種級聯低通濾波器的定子磁鏈估計方法。在這種方法中，用可編程級聯低通濾波器代替了積分器，根據供電頻率計算出每個低通濾波器的時間常數τ和補償增益系數g，使整個通道的傳遞函數在任何頻率下都等于積分器在該頻率下的傳遞函數值，其結構如圖5所示，圖5中，lpf為低通濾波器，es為定子電動勢矢量，
。
圖5 基于級聯低通濾波器的定子磁鏈估計方法
由于集膚效應和電機溫度的變化，定子電阻在電機運行過程中會發生顯著的變化，從而，純積分估計方法存在的另外一個問題是，定子電阻變化后，如果不對定子電阻進行補償，則會在估計結果中產生的估計誤差。
針對這個問題，文獻[17]提出了一種改進方法。在這種改進方法中，使用pi調節器來對定子電阻進行修正取得了很好的實驗效果。
文獻[18]介紹了另外一種解決該問題的方法，在這種方法中，首先計算出定子磁鏈矢量估計值和定子電流矢量的標量積，再對標量積進行低通濾波，利用濾波后的標量積對定子磁鏈矢量的估計結果進行修正。
文獻[19]提出了一種利用擴展卡爾曼濾波器估計定子磁鏈的方法，使用這種方法可以同時估計定子磁鏈矢量和其他狀態變量，但是這種方法在實際應用中還存在估計精度低，收斂速度慢等問題。
5 永磁同步電動機直接轉矩控制策略的發展方向
對于永磁同步電動機直接轉矩控制系統，需要進一步深入研究和急需解決的熱點問題如下：
（1） 對于基于精確動態數學模型的直接轉矩控制策略，如何提高控制系統對參數變化的魯棒性是需要解決的關鍵問題之一。
（2） 如何進一步提高無速度（位置）傳感器直接轉矩控制系統的性能，是當今的研究熱點問題。
（3） 永磁同步電動機直接轉矩控制系統的數字化問題，以及與之相關的連續數學模型的精確離散化問題，也是需要解決的關鍵問題之一。
（4）基于精確離散化數學模型的新型控制策略和新型開關策略的研究，是永磁同步電動機直接轉矩控制策略的發展方向之一。
（5）永磁同步電動機直接轉矩控制系統的穩定性問題。文獻[20]研究了最大負載角對永磁同步電動機直接轉矩控制系統穩定性的影響，但是其他因素對穩定性的影響，還需要進行深入的研究。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
