永磁同步电机直接转矩控制系统的研究综述

The Research Statuses of Permanent Magnet Synchronous Motor Direct Torque Control System

吉林铁道职业技术学院铁道车辆学院

张露（Zhang Lu） 郑涛（Zheng Tao） 滕莉娜（Teng Lina）

摘  要：永磁同步电机因其高功率密度、高效率、高可靠性等特点，在工业控制领域中得到了广泛的应用。目前，永磁同步电机控制系统的研究受到了广泛的关注，如何高效地控制永磁同步电机对推动社会进步、提高生产效率和节能减排等都具有重要的意义。而直接转矩控制作为一种高性能的交流调速方法，其是一个研究热点。本文以永磁同步电机为研究对象，首先介绍了它的结构、特点及其控制策略，并综述了永磁同步电机直接转矩控制系统的研究现状。

关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；研究现状

1 引言

电机作为当今工业控制领域的支柱，其对经济建设起着重要的推动作用。据相关数据统计，中国电机系统的用电总量约占全国发电总量的2/3[1]。故电机相关产业的发展对经济发展、节能减排和人民生活等都有着直接的影响。

自19世纪电机的发明以来，在电机调速系统中，直流调速系统在相当长的时期内都占据了主导地位。但由于直流电机在结构上有一定的不足之处，如电刷、换向器等使用一段时间便需要进行常规的检修，故在某些特殊环境下不宜使用。以上缺点抑制了直流电机向高容量、高转速、高电压的目标发展，加之全球范围内的资源紧缺，学者们又开始把交流调速系统作为研究的重心[2]。

2 永磁同步电机的结构及特点

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）的结构包括定子、转子和端盖等几部分。永磁同步电机的定子结构与传统的电励磁式同步电机保持一致，均包含三相绕组及铁心，且电枢绕组大多是以星形的方式连接，目的是减少电机杂散损耗，转子选取永磁体取代以往同步机的励磁绕组，省去了励磁线圈、滑环和电刷[3]。

永磁同步电机有多种形式的分类，根据电机转子上永磁体分布不同，可以分为面贴式、嵌入式和内埋式永磁同步电机，它们的转子结构如附图所示[4]。

(a)面贴式          (b)嵌入式        (c)内埋式

附图 永磁同步电机转子结构图

不同类型的永磁同步电机的转子结构虽然差异较大，但由于永磁材料的使用，所以与其它电机相比，其具有以下几个共同的特点[5]：

(1) 稳定精度高、电磁转矩大、过载能力强；

(2) 功率因数高、效率高；

(3) 体积小、重量轻；

(4) 结构多样化，应用领域广；

(5) 可靠性高。

3 永磁同步电机的基本控制策略

与其它交流电机的控制方法相类似，永磁同步电机的基本控制策略主要有：调压频比控制(Variable Voltage and Variable Frequency，简称VVVF)、磁场定向矢量控制(Field Oriented Control，即FOC，也称Vector Control，简称VC)和直接转矩控制(Direct Torque Control，简称DTC)[6]。

3.1 调压频比控制

调压频比控制将电机的电压和频率看作其控制变量。调压频比控制根据给定的频率值，并结合预先计算出的电压与频率二者之间的关系，选择要施加的给定电压值，之后采用PWM调制来控制逆变器以达到控制电机的目的[7]。

调压频比控制作为一种开环控制策略，其没有反馈信号的引入来进行闭环调整。在突加负载或重载情况下，会导致电机失步、转矩不足等情况的发生，难以保证系统的稳定性。

3.2 磁场定向矢量控制

1971年，德国西门子公司的F. Blaschke工程师提出了矢量控制理论[8]。矢量控制最早的提出主要是针对异步电机，之后该理论被移植到永磁同步电机控制系统中。

如果可以对复杂的交流电机数学模型进行简化，使得其与直流电机的数学模型保持一致，则交流电机的控制方式就会简单得多。基于这个思想，矢量控制模仿直流电机的控制策略来对交流电机进行控制，进而实现对交流电机磁场磁势的控制，故其又被称为磁场定向矢量控制。在负载转矩发生突变时，矢量控制可以快速地根据反馈信号来调整输出电压，保证系统的稳定性，但其仍依赖于电机的数学模型，抗干扰性差。

3.3 直接转矩控制

1985年，德国鲁尔大学的M. Depenbrock教授和日本学者L. Takahashi提出了直接转矩控制理论；1994年，ABB公司成功将直接转矩控制理论移植到异步电机的通用变频器产品中，并决定今后只发展与该系统相关的产品[9]；1996年，英国学者C. French和P. Acarnley将直接转矩控制理论移植到永磁同步电动机控制系统中，率先解释了相关的理论基础问题；1997年，澳大利亚的L. Zhong、M. F. Ralman教授和南京航空航天大学的胡育文教授等联合提出了永磁同步电机的直接转矩控制方案，为接下来的研究开辟了道路[10]。

与矢量控制相比，直接转矩控制没有复杂的坐标转换，而是去直接控制电机磁链和转矩的实际输出值，并与对应的给定输入值相比较，进而实现对转矩的直接控制。故直接转矩控制不依赖于电机的数学模型，而是去关注转矩的实际状态。直接转矩控制可以快速地将电机转速提升至给定值，但其转矩脉动较大，低速性能差[11]。

上述的三种控制策略有其各自的优缺点，它们的调速性能比较如附表所示。

附表 调速性能比较表

4 永磁同步电机直接转矩控制系统的研究现状

直接转矩控制作为一种高性能的交流调速方法，其还存在着一些固有缺陷需要解决。近年来，许多专家学者针对永磁同步电机直接转矩控制系统存在的问题做了大量研究，主要集中以下几个方面：

(1) 抑制转矩脉动

在传统永磁同步电机直接转矩控制系统中，转矩环包含两个滞环比较器。而滞环比较器的输出一般只有两种状态，在一定的滞环宽度范围内误差无论大小，滞环比较器的输出都相同，故会导致转矩的脉动[12]。而且在控制系统中，为了快速减小转矩，通常施加使定子磁链反转的电压空间矢量，这会导致转矩脉动的加剧。另外在进行定子磁链计算时，通常采用电压积分法，但定子电阻的变化会导致定子磁链的变化，而定子磁链对转矩的影响在低速时尤为明显。为此，许多国内外学者从不同角度提出了各种转矩脉动的抑制方法，常见的方法主要有：零电压矢量法[13]、定子磁链细分法[14]、电压空间矢量调制法[15]、模糊控制算法[16]以及滑模变结构控制算法[17]等。

(2) 改善系统鲁棒性能

在传统永磁同步电机直接转矩控制系统中，转速环通常采用PI控制器。而PI控制本质是一种线性控制，当其用于控制时变较强的永磁同步电机时，则无法保证系统的整体性能，尤其在低速范围内系统的鲁棒性能达不到令人满意的控制效果[18]。为此，许多国内外学者从不同角度提出了各种基于PI控制的改进方法，常见的方法主要有：模糊PI控制算法[19]、自适应PI控制算法[20]、神经网络PI控制算法[21]以及自抗扰控制算法[22]等。

(3) 无传感器控制技术

要实现永磁同步电机直接转矩控制系统的闭环控制，就需要对转子的转速和位置进行准确地观测[23]。但传感器的使用会增加系统成本，破坏电机刚性，故需要在线对转子的转速和位置进行辨识，常见的方法主要有：直接计算法[24]、模型参考自适应法[25]、扩展卡尔曼滤波算法[26]以及神经网络算法[27]等。

永磁同步电机直接转矩控制系统今后的发展方向将是全面提高系统性能，而单独采用一种传统控制方法很难满足系统要求[28]。

目前，随着智能控制技术的不断发展，其已成为控制领域中必不可少的构成部分。在控制系统中，应用一种或多种智能控制技术已成为电机调速系统的主流发展方向。

5 结论

本文以永磁同步电机为研究对象，首先介绍了永磁同步电机的研究背景，其次阐述了永磁同步电机的结构、特点及其控制策略，最后综述了永磁同步电机直接转矩控制系统的研究现状。