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[摘 要]现阶段，永磁无刷直流电机在工业控制的各项领域都取得了推广应用，这主要是因为它的工作效率较高、维护方便、产生的噪音较小。不过这种直流电机在转动时，转矩波动比较大，对于转矩波动较大的电机来说，不适合在高精度系统中应用。这种电机内的直接转矩控制具备了瞬时转矩控制的特点，主要是能在定子坐标系下直接观测电机转矩、磁链，将所观测到的数据与标准值进行比较。两者相比的差值，经过滞环控制器的处理分析，得到相对应的控制信号，再考虑当前的磁链状态，进行电压空间矢量的选择，这就达到了对电机转矩的直接控制。接下来笔者将结合自身的经验和调查走访结果，基于永磁无刷直流电机的运行特点，详细论述永磁无刷直流电机直接转矩控制。
[关键词]永磁无刷直流电机；直接转矩控制
中图分类号：G52 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0036-02
正文：永磁无刷的直流电机之所以能在短时间内迅速推广发展，主要是因为它具备操作简单、出力大、工作效率高、易于维护保养、调速性能较好等优点。永磁无刷直流电机最大的缺点就在于它的转矩波动较大，不适合在高精度系统中应用，这主要是受到了它的非理想方波输入和齿槽转矩的影响。
直接转矩控制主要是采用了空间矢量和定子磁场的内容，运用相关仪器对定子电流、电压进行检测。直接转矩控制在功能方面可以分成两部分，第一部分是转矩观测和控制，主要是为了达到转矩瞬间控制的目的；第二部分是定子磁链观测和控制，主要是为了选择恰当的电压空间矢量，以便在定子中形成六边形磁链。
一、直接转矩控制的运用状况
笔者在调查中发现，现阶段，直流转矩控制在永磁无刷直流电机中的应用最为广泛。它的构件中包含了位置传感器，在运行过程中显示出的电压空间矢量，刚好能组成一个六边形磁链。所以永磁无刷直流电机直接转矩控制，可以省略其中磁链观测的部分，还可以利用转矩控制的高动态性，把直流电机中的转矩波动状况约束在一定范围内。笔者将永磁无刷直流电机在电动运行时，定子磁链波形总结归纳如下图1，纵轴是β轴，横轴是α轴。
运用这种方式来控制永磁无刷直流电机，有三个方面需要注意。第一，异步电机存在两个零电压矢量，一个是对应下桥臂全导通，另一个是对应上桥臂全导通，但是永磁无刷直流电机只存在一个零电压矢量，这个矢量对应了上下桥臂全关断。第二，异步电机与永磁无刷直流电机在结构上存在差异，所以它们俩的转矩计算方式也不同。第三，异步电机与永磁无刷直流电机在运行过程中逆变桥的每个桥臂管导通不同，所以它们俩的电压空间矢量表示方法也不同。
二、永磁无刷直流电机的数学模型
永磁无刷直流电机的构件主要由三个部分组成，分别是：逻辑驱动电路、位置传感器和永磁同步电机本体。这个三个部分的连接方式，呈现三相桥式Y接电机状况时，其电机状态的数学方程为：
在这个方程式中， ，是三相定子对应的电流值，M是定子之间的互感，L是定子的自感。
电磁转矩的公式可以表达为：
这个公式中的表示转子的机械角速度，从这个公式中我们可以看出，电机运行时应当保持转矩数值恒定。在这个基础上，这三者之间的数值也需要保持恒定。如果碰到梯形的电机气隙磁场分布，那么其中磁感应强度和反电势的分布就会相同。要将两者的转矩数值保持恒定，就需要将电枢电流控制在理想方波状态，并且要与反电势相位相同。在现代的研究中，许多学者都将定子电流作为主要控制对象，通过对它的控制，来产生方波定子电流。
三.永磁无刷直接电机的转矩观测
在运用直接转矩控制技术时，事先应当观测电机的电磁转矩。在实际运用过程中，控制系统对永磁无刷直流电机的反电势不能进行直接测量，但是能检测到定子电流数值、中性点电压数值、电机转速数值和地端段电压数值。可以将中性点电压数值设为，可以得出以下公式：
将这个公式带入到电磁转矩公式中，可以得出以下公式：
上述公式可以得出已知量或者直接检测量，将电磁转矩公式带入到这个公式中，可以得出电磁转矩的数值。
四、永磁无刷直接电机的直接转矩控制
（一）转矩控制
按照电机的标准理论来说，转矩的数值多少与定子磁链幅数值相关，还与转子磁链幅数值、磁通角角度成正比关系。对于永磁无刷直流电机来说，在运行过程中，轉子磁链幅数值的大小是由永磁体的转速来决定的，一般情况下，磁链幅数值大小是恒定的数值。所以，我们可以利用定子磁链对转矩的影响，通过控制定子磁链的磁通角来控制电机转矩。
按照直接转矩控制的理论，想要达到对高动态性的电机转矩控制，就要对转矩进行闭环控制措施，下图是常见的两点式转矩调节器示意图：（见图1）
在这个示意图中，和转矩的反馈值代表了转矩开关信号，也是输出量的数值。±代表了调节器的容差，主要是使用了离散情况下的两点式调节方式。
图3是两点式调节器对转矩的调节过程示意图，其中忽略了电机的损耗部分：
，直流电机就会接通非零电压的空间矢量，这个空间矢量主要是由位置信号数值给出的，推动定子磁链向前进行旋转。这时的数值也会随之上升，最终导致。对应电压的积分是由磁链代表，它的增长数值是按照恒定不变的斜率上升。在换句话说就是数值就会变成0值。在这种状态下，电机上是零电压矢量，所以定子磁链就会停止不摆动，这时也会下降，T的数值也会减小，这此期间的数值是恒定不变的，既没有增长也没有减少。在时刻，调节器将会重复时刻的调节过程。
所以可以很明显的了解到，恰当选择就能将转矩波动的幅度限制在规定的范围内，这就是目前市面上应用最广的调节方式。
（二）控制系统结构图
笔者根据自身多年的经验，将永磁无刷直流电机的直接转矩控制系统结构图总结归纳如下：（见图4）
这个结构图中的转速给定由代表，电机的输出转速由n代表，给定转矩由。结构图中的饱和非线性单元的功能主要指的是：当PI调节器的输出的转矩数值超过了规定的最大给定转矩数值（）时，。当PI调节器的输出的转矩数值小于零值时，=0。当PI调节器的输出的转矩数值处于和零值之间时，就与调节器的输出数值相等。
结束语
随着时代的进步，我国的电力行业也在不断发展，在电力行业中发电是重中之重。其中永磁无刷直流电机的诸多优点，让它在短时间内迅速被使用推广，它的直接转矩控制是最大的缺点，在进行永磁无刷直流电机直接转矩控制的过程中，磁链观测部分可以忽略。由上述可知，恰当选择转矩两点式调节器容差，能将永磁无刷直流电机的直接转矩控制在规定范围内。希望本文所论述的观点，能对相关专业工作者有所帮助。
参考文献
[1] 丁祥.永磁无刷直流电机直接转矩控制系统的设计研究[D].湖南大学，2009.
[2] 王伟然.直接转矩控制在无轴承无刷直流电机中的应用[D].江苏大学，2012.
[3] 杨永君.无刷直流电机直接转矩控制系统的研究与设计[D].天津理工大学，2012.
[4] 孟令瑞.无刷直流电机的直接转矩控制系统的研究[D].河南科技大学，2013.
[5] 安群涛，孙立志，刘超，孙力.无刷直流电机的磁链自控直接转矩控制[J].中国电机工程学报，2010，12：86-92.
作者简介
崔建业，男，青海大通，1980-01，阿斯科（中国）电机技术有限公司，助理工程师，永磁直流无刷电机的应用
[关键词]永磁无刷直流电机；直接转矩控制
中图分类号：G52 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0036-02
正文：永磁无刷的直流电机之所以能在短时间内迅速推广发展，主要是因为它具备操作简单、出力大、工作效率高、易于维护保养、调速性能较好等优点。永磁无刷直流电机最大的缺点就在于它的转矩波动较大，不适合在高精度系统中应用，这主要是受到了它的非理想方波输入和齿槽转矩的影响。
直接转矩控制主要是采用了空间矢量和定子磁场的内容，运用相关仪器对定子电流、电压进行检测。直接转矩控制在功能方面可以分成两部分，第一部分是转矩观测和控制，主要是为了达到转矩瞬间控制的目的；第二部分是定子磁链观测和控制，主要是为了选择恰当的电压空间矢量，以便在定子中形成六边形磁链。
一、直接转矩控制的运用状况
笔者在调查中发现，现阶段，直流转矩控制在永磁无刷直流电机中的应用最为广泛。它的构件中包含了位置传感器，在运行过程中显示出的电压空间矢量，刚好能组成一个六边形磁链。所以永磁无刷直流电机直接转矩控制，可以省略其中磁链观测的部分，还可以利用转矩控制的高动态性，把直流电机中的转矩波动状况约束在一定范围内。笔者将永磁无刷直流电机在电动运行时，定子磁链波形总结归纳如下图1，纵轴是β轴，横轴是α轴。
运用这种方式来控制永磁无刷直流电机，有三个方面需要注意。第一，异步电机存在两个零电压矢量，一个是对应下桥臂全导通，另一个是对应上桥臂全导通，但是永磁无刷直流电机只存在一个零电压矢量，这个矢量对应了上下桥臂全关断。第二，异步电机与永磁无刷直流电机在结构上存在差异，所以它们俩的转矩计算方式也不同。第三，异步电机与永磁无刷直流电机在运行过程中逆变桥的每个桥臂管导通不同，所以它们俩的电压空间矢量表示方法也不同。
二、永磁无刷直流电机的数学模型
永磁无刷直流电机的构件主要由三个部分组成，分别是：逻辑驱动电路、位置传感器和永磁同步电机本体。这个三个部分的连接方式，呈现三相桥式Y接电机状况时，其电机状态的数学方程为：
在这个方程式中， ，是三相定子对应的电流值，M是定子之间的互感，L是定子的自感。
电磁转矩的公式可以表达为：
这个公式中的表示转子的机械角速度，从这个公式中我们可以看出，电机运行时应当保持转矩数值恒定。在这个基础上，这三者之间的数值也需要保持恒定。如果碰到梯形的电机气隙磁场分布，那么其中磁感应强度和反电势的分布就会相同。要将两者的转矩数值保持恒定，就需要将电枢电流控制在理想方波状态，并且要与反电势相位相同。在现代的研究中，许多学者都将定子电流作为主要控制对象，通过对它的控制，来产生方波定子电流。
三.永磁无刷直接电机的转矩观测
在运用直接转矩控制技术时，事先应当观测电机的电磁转矩。在实际运用过程中，控制系统对永磁无刷直流电机的反电势不能进行直接测量，但是能检测到定子电流数值、中性点电压数值、电机转速数值和地端段电压数值。可以将中性点电压数值设为，可以得出以下公式：
将这个公式带入到电磁转矩公式中，可以得出以下公式：
上述公式可以得出已知量或者直接检测量，将电磁转矩公式带入到这个公式中，可以得出电磁转矩的数值。
四、永磁无刷直接电机的直接转矩控制
（一）转矩控制
按照电机的标准理论来说，转矩的数值多少与定子磁链幅数值相关，还与转子磁链幅数值、磁通角角度成正比关系。对于永磁无刷直流电机来说，在运行过程中，轉子磁链幅数值的大小是由永磁体的转速来决定的，一般情况下，磁链幅数值大小是恒定的数值。所以，我们可以利用定子磁链对转矩的影响，通过控制定子磁链的磁通角来控制电机转矩。
按照直接转矩控制的理论，想要达到对高动态性的电机转矩控制，就要对转矩进行闭环控制措施，下图是常见的两点式转矩调节器示意图：（见图1）
在这个示意图中，和转矩的反馈值代表了转矩开关信号，也是输出量的数值。±代表了调节器的容差，主要是使用了离散情况下的两点式调节方式。
图3是两点式调节器对转矩的调节过程示意图，其中忽略了电机的损耗部分：
，直流电机就会接通非零电压的空间矢量，这个空间矢量主要是由位置信号数值给出的，推动定子磁链向前进行旋转。这时的数值也会随之上升，最终导致。对应电压的积分是由磁链代表，它的增长数值是按照恒定不变的斜率上升。在换句话说就是数值就会变成0值。在这种状态下，电机上是零电压矢量，所以定子磁链就会停止不摆动，这时也会下降，T的数值也会减小，这此期间的数值是恒定不变的，既没有增长也没有减少。在时刻，调节器将会重复时刻的调节过程。
所以可以很明显的了解到，恰当选择就能将转矩波动的幅度限制在规定的范围内，这就是目前市面上应用最广的调节方式。
（二）控制系统结构图
笔者根据自身多年的经验，将永磁无刷直流电机的直接转矩控制系统结构图总结归纳如下：（见图4）
这个结构图中的转速给定由代表，电机的输出转速由n代表，给定转矩由。结构图中的饱和非线性单元的功能主要指的是：当PI调节器的输出的转矩数值超过了规定的最大给定转矩数值（）时，。当PI调节器的输出的转矩数值小于零值时，=0。当PI调节器的输出的转矩数值处于和零值之间时，就与调节器的输出数值相等。
结束语
随着时代的进步，我国的电力行业也在不断发展，在电力行业中发电是重中之重。其中永磁无刷直流电机的诸多优点，让它在短时间内迅速被使用推广，它的直接转矩控制是最大的缺点，在进行永磁无刷直流电机直接转矩控制的过程中，磁链观测部分可以忽略。由上述可知，恰当选择转矩两点式调节器容差，能将永磁无刷直流电机的直接转矩控制在规定范围内。希望本文所论述的观点，能对相关专业工作者有所帮助。
参考文献
[1] 丁祥.永磁无刷直流电机直接转矩控制系统的设计研究[D].湖南大学，2009.
[2] 王伟然.直接转矩控制在无轴承无刷直流电机中的应用[D].江苏大学，2012.
[3] 杨永君.无刷直流电机直接转矩控制系统的研究与设计[D].天津理工大学，2012.
[4] 孟令瑞.无刷直流电机的直接转矩控制系统的研究[D].河南科技大学，2013.
[5] 安群涛，孙立志，刘超，孙力.无刷直流电机的磁链自控直接转矩控制[J].中国电机工程学报，2010，12：86-92.
作者简介
崔建业，男，青海大通，1980-01，阿斯科（中国）电机技术有限公司，助理工程师，永磁直流无刷电机的应用