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【摘 要】永磁同步电机的结构比较简单、其工作效率比较高以及拥有调速范围比较宽的优点，被广泛应用在各种领域中，如机械制造工业、电力系统以及航空航天等领域中。本文是以永磁同步电机直接转矩控制技术为研究对象，深入分析这种新型高性能的交流调速技术。从空间矢量原理出发，介绍调速系统中的三种坐标系和变换理论。将空间矢量脉宽调制技术引入永磁同步电机的直接转矩控制系统中，解决传统直接转矩控制技术中磁链、转矩脉动大等问题。
【关键词】永磁同步电机;直接转矩控制;空间矢量;转矩脉动
Abstract：The structure of the permanent magnet synchronous motor is relatively simple，its working efficiency is relatively high，and it has the advantages of a wide speed range.It is widely used in various fields，such as machinery manufacturing industry，power system and aerospace.This article takes the direct torque control technology of permanent magnet synchronous motor as the research object，and deeply analyzes this new high-performance AC speed regulation technology.Starting from the space vector principle，three coordinate systems and transformation theories in the speed control system are introduced.The space vector pulse width modulation technology is introduced into the direct torque control system of the permanent magnet synchronous motor，which solves the problems of flux linkage and large torque ripple in the traditional direct torque control technology.
key words：Permanent magnet synchronous motor;direct torque control;space vector;torque ripple
0 引言
電机是以磁场作为媒介进行机电能量的相互转换电磁装置。永磁同步电机是通过转子由永磁体替代电线圈励磁来产生磁场，通常永磁同步电机的结构主要有表面贴装式、嵌入式 以及内埋式等。由于永磁同步电机转子磁极结构的不同引起电机凸极系数差别较大，因此，相应的控制方法也各不相同。但是，永磁同步电机相对传统异步电机相比来说，同步电机具有节电性、较强的承受力、转矩惯性较高以及控制技术相对简单等优点。永磁同步电机调速系统发展经历了变频调速、矢量控制和直接转矩控制三个个阶段。
1 永磁同步电机直接转矩控制技术
1.1 永磁同步电机直接转矩控制技术特点
永磁同步电机直接转矩控制是继矢量控制之后的又一高性能的交流电机控制方法，直接转矩控制把转矩作为被控量，不涉及复杂的电机解耦，响应速度快。可以解决大范围的矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果等问题。直接转矩控制直接计算与控制交流电动机的转矩，采用磁场定向，借助离散的两点式调节产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。
2 永磁同步电机直接转矩控制技术系统研究
2.1 永磁同步电机直接转矩控制理论
永磁同步电机中的磁链、电流和电压的矢量关系如图2-1所示。
其中转子磁链的轴向为d轴的正方向，d轴与A相绕组的夹角为。定子磁链的方向为轴的正方向。并将其定义x轴与d轴的夹角为转矩角，x轴超前d轴时，转矩角为正。在忽略定子电阻的情况下，转矩角为功角。当电机稳态运行时，定、转子磁链都以同步速旋转。所以，在恒定负载的时候转矩角为恒定值。当电机瞬态运行时，转矩角则因定、转子旋转速度的不同而不断改变。
2.3 空间电压矢量调制
永磁同步电机转矩的产生和改变与定、转子磁链的夹角密切相关，电机旋转时，转子磁链位置不断变化，定子磁链也需要做相应的转动。通过使用如图2-2所示的控制主电路，产生转动的定子磁链。
电机的端电压由开关管的导通和关断来控制分别替代三组互锁的开关器件，同一桥臂的上下管互锁，分别使用三个单刀双投开关、和。
为了根据磁链和转矩滞环比较器的输出信号选择合适的空间电压矢量的角平分线作为分区的边界。通常可以工作矢量将空间分成了六个扇区，用表示，其中i=1～6来表示这6个扇区，如图2-3所示。
在忽略定子电阻压降时，定子磁链将沿输入空间电压矢量的方向，以正比与输入电压的速度移动。因此，适当地电机的空间电压矢量，可以使磁链的运动轨迹近似为圆。为了保持磁链幅值，可以根据磁链偏差大小和磁链的具体方向，适当选取空间电压矢量达到控制磁链的目的，并且零矢量在一个控制周期内，不会对磁链产生影响，磁链将不发生移动。
3 永磁同步电机直接转矩控制系统组成
永磁同步电机直接转矩控制系统的主要组成部分分别为：逆变器模块、转矩与磁链控制模块以及开关表等，结构如图2-4所示。 3.1 逆变器模块
直接转矩控制对电机的控制是通过对逆变器输入不同的空间电压矢量实现的，而空间电压矢量选择是通过开关表来实现，直接转矩控制是将控制策略和逆变器一体化设计。
3.2 转矩和磁链的控制模块
直接转矩控制是对电机转矩和磁链的控制，通过这个控制模块来实现控制目标。
3.3 开关表
开关表根据两个滞环比较器的输出实现对空间电压矢量的选择，这是直接转矩控制中最核心的控制部分，开关表定义的质量，直接影响控制系统的性能。
3.4 坐标变换与扇区判断
凸极式永磁同步电机的磁路和其转子的位置有关，如果采取的定子定向的计算方法，侧磁链和转矩为转矩角的函数，方程复杂，不易计算。一般采用两相旋转坐标系下计算的方法，通过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换来计算。
4 结语
本文通过对永磁同步电机直接转矩控制系统的分析，研究空间电压矢量，并根据空间电压矢量对转矩和磁链的影响，以及与开关表的关系，深入分析直接转矩理论在永磁同步电机上运用的可行性，减短永磁同步电机直接转矩控制周期过长，电流上升过大，以及减小了转矩脉动，为将来深入研究做好坚实的理论基础。
参考文献：
[1]孙业树，永磁同步电机交流伺服系统设计[D].2003.4.
[2]董期林，张淑梅.DSP控制的直流电机伺服系统[J].电光与控制，2006（2）：109-113.
[3]陈国呈，PWM变频调速技术[M].机械工业出版社，1998.
[4]胡崇岳，现代交流调速技术[M].北京：机械工业出版社，1998.9.
[5]朱震莲，现代交流调速系统[M].西北工业大学出版社，1994.
[6]Isao.Takahashi，Toshihiko.Noguchi，A new quick-response and high-eficiency control strategy of an Induction motor，IEEE Trans.On IA.1986，IA-22（5）：820-827.
[7]M.Depenbrock，Direct Self-Control（DSC）of Inverter Fed Induction Machine[J].IEEE Trans.on PE，1988，3（5）：420-429.
[8]田淳，胡育文.永磁同步電机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究[J].电工技术学报，2002（2）：8-11.
[9]许峻峰，徐英雷，许建平.永磁同步电机直接转矩控制系统仿真[J].电力机车与城轨车辆，2004（1）：22 -24.
（作者单位：大连交通大学）
【关键词】永磁同步电机;直接转矩控制;空间矢量;转矩脉动
Abstract：The structure of the permanent magnet synchronous motor is relatively simple，its working efficiency is relatively high，and it has the advantages of a wide speed range.It is widely used in various fields，such as machinery manufacturing industry，power system and aerospace.This article takes the direct torque control technology of permanent magnet synchronous motor as the research object，and deeply analyzes this new high-performance AC speed regulation technology.Starting from the space vector principle，three coordinate systems and transformation theories in the speed control system are introduced.The space vector pulse width modulation technology is introduced into the direct torque control system of the permanent magnet synchronous motor，which solves the problems of flux linkage and large torque ripple in the traditional direct torque control technology.
key words：Permanent magnet synchronous motor;direct torque control;space vector;torque ripple
0 引言
電机是以磁场作为媒介进行机电能量的相互转换电磁装置。永磁同步电机是通过转子由永磁体替代电线圈励磁来产生磁场，通常永磁同步电机的结构主要有表面贴装式、嵌入式 以及内埋式等。由于永磁同步电机转子磁极结构的不同引起电机凸极系数差别较大，因此，相应的控制方法也各不相同。但是，永磁同步电机相对传统异步电机相比来说，同步电机具有节电性、较强的承受力、转矩惯性较高以及控制技术相对简单等优点。永磁同步电机调速系统发展经历了变频调速、矢量控制和直接转矩控制三个个阶段。
1 永磁同步电机直接转矩控制技术
1.1 永磁同步电机直接转矩控制技术特点
永磁同步电机直接转矩控制是继矢量控制之后的又一高性能的交流电机控制方法，直接转矩控制把转矩作为被控量，不涉及复杂的电机解耦，响应速度快。可以解决大范围的矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果等问题。直接转矩控制直接计算与控制交流电动机的转矩，采用磁场定向，借助离散的两点式调节产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。
2 永磁同步电机直接转矩控制技术系统研究
2.1 永磁同步电机直接转矩控制理论
永磁同步电机中的磁链、电流和电压的矢量关系如图2-1所示。
其中转子磁链的轴向为d轴的正方向，d轴与A相绕组的夹角为。定子磁链的方向为轴的正方向。并将其定义x轴与d轴的夹角为转矩角，x轴超前d轴时，转矩角为正。在忽略定子电阻的情况下，转矩角为功角。当电机稳态运行时，定、转子磁链都以同步速旋转。所以，在恒定负载的时候转矩角为恒定值。当电机瞬态运行时，转矩角则因定、转子旋转速度的不同而不断改变。
2.3 空间电压矢量调制
永磁同步电机转矩的产生和改变与定、转子磁链的夹角密切相关，电机旋转时，转子磁链位置不断变化，定子磁链也需要做相应的转动。通过使用如图2-2所示的控制主电路，产生转动的定子磁链。
电机的端电压由开关管的导通和关断来控制分别替代三组互锁的开关器件，同一桥臂的上下管互锁，分别使用三个单刀双投开关、和。
为了根据磁链和转矩滞环比较器的输出信号选择合适的空间电压矢量的角平分线作为分区的边界。通常可以工作矢量将空间分成了六个扇区，用表示，其中i=1～6来表示这6个扇区，如图2-3所示。
在忽略定子电阻压降时，定子磁链将沿输入空间电压矢量的方向，以正比与输入电压的速度移动。因此，适当地电机的空间电压矢量，可以使磁链的运动轨迹近似为圆。为了保持磁链幅值，可以根据磁链偏差大小和磁链的具体方向，适当选取空间电压矢量达到控制磁链的目的，并且零矢量在一个控制周期内，不会对磁链产生影响，磁链将不发生移动。
3 永磁同步电机直接转矩控制系统组成
永磁同步电机直接转矩控制系统的主要组成部分分别为：逆变器模块、转矩与磁链控制模块以及开关表等，结构如图2-4所示。 3.1 逆变器模块
直接转矩控制对电机的控制是通过对逆变器输入不同的空间电压矢量实现的，而空间电压矢量选择是通过开关表来实现，直接转矩控制是将控制策略和逆变器一体化设计。
3.2 转矩和磁链的控制模块
直接转矩控制是对电机转矩和磁链的控制，通过这个控制模块来实现控制目标。
3.3 开关表
开关表根据两个滞环比较器的输出实现对空间电压矢量的选择，这是直接转矩控制中最核心的控制部分，开关表定义的质量，直接影响控制系统的性能。
3.4 坐标变换与扇区判断
凸极式永磁同步电机的磁路和其转子的位置有关，如果采取的定子定向的计算方法，侧磁链和转矩为转矩角的函数，方程复杂，不易计算。一般采用两相旋转坐标系下计算的方法，通过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换来计算。
4 结语
本文通过对永磁同步电机直接转矩控制系统的分析，研究空间电压矢量，并根据空间电压矢量对转矩和磁链的影响，以及与开关表的关系，深入分析直接转矩理论在永磁同步电机上运用的可行性，减短永磁同步电机直接转矩控制周期过长，电流上升过大，以及减小了转矩脉动，为将来深入研究做好坚实的理论基础。
参考文献：
[1]孙业树，永磁同步电机交流伺服系统设计[D].2003.4.
[2]董期林，张淑梅.DSP控制的直流电机伺服系统[J].电光与控制，2006（2）：109-113.
[3]陈国呈，PWM变频调速技术[M].机械工业出版社，1998.
[4]胡崇岳，现代交流调速技术[M].北京：机械工业出版社，1998.9.
[5]朱震莲，现代交流调速系统[M].西北工业大学出版社，1994.
[6]Isao.Takahashi，Toshihiko.Noguchi，A new quick-response and high-eficiency control strategy of an Induction motor，IEEE Trans.On IA.1986，IA-22（5）：820-827.
[7]M.Depenbrock，Direct Self-Control（DSC）of Inverter Fed Induction Machine[J].IEEE Trans.on PE，1988，3（5）：420-429.
[8]田淳，胡育文.永磁同步電机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究[J].电工技术学报，2002（2）：8-11.
[9]许峻峰，徐英雷，许建平.永磁同步电机直接转矩控制系统仿真[J].电力机车与城轨车辆，2004（1）：22 -24.
（作者单位：大连交通大学）