1 引言
永磁同步電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、效率高、功率密度大、可靠性高，正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，永磁同步電動(dòng)機(jī)非常適合應(yīng)用于高性能伺服系統(tǒng)中。因而，在諸如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等應(yīng)用場(chǎng)合，永磁同步電動(dòng)機(jī)正在逐步取代直流電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。
在上個(gè)世紀(jì)的90年代，有些學(xué)者把基本直接轉(zhuǎn)矩控制思想應(yīng)用到了永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中。由于基本直接轉(zhuǎn)矩控制存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈脈動(dòng)大的問題，為了進(jìn)一步提高永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能，在過去10年間，出現(xiàn)了許多種改進(jìn)的永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法。
本文對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略進(jìn)行了綜述，介紹了幾種改進(jìn)的永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略的實(shí)現(xiàn)方法，以及存在的問題，最后對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的發(fā)展方向進(jìn)行了簡(jiǎn)單的討論。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本直接轉(zhuǎn)矩控制原理
凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式可以表示為：
（1）
其中：δ為負(fù)載角，即定子磁鏈?zhǔn)噶喀譻和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶喀譺之間的夾角；np為永磁同步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，ld為定子的d軸電感，lq為定子的q軸電感。
定子磁鏈?zhǔn)噶?、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?、?fù)載角和電壓矢量之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 定子磁鏈?zhǔn)噶?、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶亢碗妷菏噶恐g的關(guān)系

凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是，定子的d軸電感l(wèi)d要比定子q軸電感l(wèi)q小。對(duì)于隱極式永磁同步電動(dòng)機(jī)，ld和lq相同，則式（1）變?yōu)?

（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(fù)載角來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。
當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)用三相逆變器供電時(shí)，可以通過控制開關(guān)信號(hào)產(chǎn)生8個(gè)電壓矢量，如圖1所示，其中包括6個(gè)工作電壓矢量（u1～u6）和2個(gè)零電壓矢量（u0和u7），根據(jù)電磁感應(yīng)定律，定子磁鏈?zhǔn)噶康挠?jì)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(chǎn)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(shí)間。
每一個(gè)工作電壓矢量都可以分解成兩個(gè)分量，一個(gè)分量和定子磁鏈?zhǔn)噶糠较蛞恢?，稱為徑向分量；一個(gè)分量和定子磁鏈?zhǔn)噶糠较虼怪?，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(zhuǎn)速。通過選擇合適的電壓矢量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈?zhǔn)噶康哪Ｖ岛拓?fù)載角的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的精確控制。和異步電動(dòng)機(jī)不同的地方是，永磁同步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈的初始值不為0，其大小和方向取決于轉(zhuǎn)子的初始位置。

3 永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略的實(shí)現(xiàn)方法
文獻(xiàn)[1]中，首次提出了永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略，然而，從本質(zhì)上講，這種控制策略不能算作真正的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，這是因?yàn)檫@種控制方法是通過控制電動(dòng)機(jī)的定子電流來實(shí)現(xiàn)的永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制。文獻(xiàn)[2]中提出的直接轉(zhuǎn)矩控制方法是對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流d軸分量的控制，也不屬于真正的直接轉(zhuǎn)矩控制。本文不討論以上兩種類型的直接轉(zhuǎn)矩控制策略。
在文獻(xiàn)[3]中對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制方法進(jìn)行了很好的綜述，但是其討論的重點(diǎn)是異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法。
3.1 開關(guān)表直接轉(zhuǎn)矩控制策略
（1）基本開關(guān)表的直接轉(zhuǎn)矩控制策略
這種直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中，為電磁轉(zhuǎn)矩的給定值，為定子磁鏈模值的給定值，上標(biāo)^表示估計(jì)值。和的比較結(jié)果通過磁鏈比較器后得到，可以取為兩個(gè)值，分別為＋1、－1。的比較結(jié)果通過轉(zhuǎn)矩比較器后得到et，et可以取為三個(gè)值，分別為－1、0、1。在8個(gè)定子電壓矢量中，通過開關(guān)表選擇一個(gè)合適的定子電壓矢量，作為永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子電壓矢量給定值。
文獻(xiàn)[4]使用這種基本的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]使用相同的開關(guān)表，實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。

圖2 永磁同步電動(dòng)機(jī)基本直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

在文獻(xiàn)[6]中，也提出了相似的永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，但是，開關(guān)表輸出的電壓矢量中不包含零電壓矢量。
在文獻(xiàn)[7][8]中，使用了相同的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，但是對(duì)開關(guān)表作了簡(jiǎn)化處理，同時(shí)，使用一個(gè)低分辨率的光電碼盤實(shí)現(xiàn)了定子磁鏈的初始定位。
文獻(xiàn)[9]基于這種控制思想，提出了一種最大轉(zhuǎn)矩/磁鏈控制方法。
基于相同的控制思想，文獻(xiàn)[10]提出了一種最優(yōu)效率直接轉(zhuǎn)矩控制方法。
（2）基于多電壓合成開關(guān)表的直接轉(zhuǎn)矩控制策略
基本直接轉(zhuǎn)矩控制方法的主要缺點(diǎn)是，轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的脈動(dòng)分量大。在基本直接轉(zhuǎn)矩控制中，只能在8個(gè)電壓空間矢量中選擇一個(gè)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(yōu)的。
文獻(xiàn)[11]中，提出了一種基于電壓空間矢量調(diào)制（space vector modulation，svm）方法的直接轉(zhuǎn)矩控制策略（svm-dtc）。電壓空間矢量調(diào)制方法的最大優(yōu)點(diǎn)是，可以利用基本電壓空間矢量（u0～u7）合成72個(gè)電壓空間矢量，因而在svm-dtc中，可以根據(jù)轉(zhuǎn)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(gè)最優(yōu)的電壓空間矢量。svm-dtc控制方法有效的降低了電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈脈動(dòng)。
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(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈脈動(dòng)，同時(shí)可以降低開關(guān)頻率。但是，和兩電平逆變器相比，利用多電平逆變器實(shí)現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，需要更多的開關(guān)器件，增加了整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，同時(shí)也增加了逆變器的開關(guān)損耗，文獻(xiàn)[12]對(duì)多電平逆變器異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，而關(guān)于多電平永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的研究工作還未見報(bào)道。
3.2 恒開關(guān)頻率的直接轉(zhuǎn)矩控制策略
恒開關(guān)頻率的直接轉(zhuǎn)矩控制策略都是利用永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出在下一個(gè)控制周期的最優(yōu)定子電壓給定值，然后使用svm調(diào)制方法產(chǎn)生定子電壓矢量。這類控制方法的特點(diǎn)是逆變器的開關(guān)頻率恒定，能夠有效地降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，可以降低控制系統(tǒng)地采樣頻率。但是，這類控制方法在計(jì)算定子電壓的過程中，一般需要使用電動(dòng)機(jī)參數(shù)，從而存在計(jì)算量大的缺點(diǎn)。如果根據(jù)最優(yōu)電壓矢量的計(jì)算方法進(jìn)行分類，恒開關(guān)頻率的直接轉(zhuǎn)矩控制策略主要包括以下幾種。
（1）轉(zhuǎn)矩閉環(huán)svm-dtc控制策略
轉(zhuǎn)矩閉環(huán)svm-dtc控制策略的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 永磁同步電動(dòng)機(jī)svm-dtc控制系統(tǒng)框圖

在文獻(xiàn)[13]中，轉(zhuǎn)矩控制誤差作為pi調(diào)節(jié)器的輸入，pi調(diào)節(jié)器的輸出為負(fù)載角改變量δδ，δδ和負(fù)載角的估計(jì)值相加得到負(fù)載角的給定值δ* 。控制器vcc根據(jù)δδ、定子磁鏈給定值、定子磁鏈估計(jì)值和定子電流的測(cè)量值is計(jì)算出定子電壓的給定值。svm模塊利用定子電壓給定值產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制。這種控制方法有效地降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈脈動(dòng)，但是，在這種控制系統(tǒng)，pi調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定困難。
（2）預(yù)測(cè)直接轉(zhuǎn)矩控制策略
文獻(xiàn)[14]中介紹了一種永磁同步電動(dòng)機(jī)預(yù)測(cè)直接轉(zhuǎn)矩控制策略，結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。這種控制策略的基本思想是，根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程，對(duì)將來的電磁轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)值，確定逆變器的開關(guān)信號(hào)。在這種控制策略中，逆變器開關(guān)信號(hào)的確定方法是，當(dāng)控制周期ts一定時(shí)，根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出在某個(gè)工作電壓矢量下，電磁轉(zhuǎn)矩到達(dá)到允許波動(dòng)極限的時(shí)間t1，在t1時(shí)間段內(nèi)，把這個(gè)工作電壓矢量作為給定定子電壓矢量，在ts-t1時(shí)間段內(nèi)，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(zhuǎn)矩波動(dòng)量控制在一個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)。但是，這種控制策略的缺點(diǎn)是，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)矩也在設(shè)定的上下限內(nèi)波動(dòng)，而不能處于穩(wěn)定狀態(tài)，另外，在預(yù)測(cè)電磁轉(zhuǎn)矩的過程中，需要使用永磁同步電動(dòng)機(jī)的電機(jī)參數(shù)，所以這種控制策略的性能受參數(shù)變化的影響比較大。

圖4 永磁同步電動(dòng)機(jī)預(yù)測(cè)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

（3）變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制方法
文獻(xiàn)[15]針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)提出了一種變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，得到了滑動(dòng)曲面和滑?？刂坡桑谟?jì)算給定定子電壓矢量的過程中，需要使用轉(zhuǎn)矩控制誤差、磁鏈控制誤差、定子電壓矢量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等電機(jī)狀態(tài)變量，從而，這種方法對(duì)電機(jī)參數(shù)變化不具有魯棒性。

4 定子磁鏈估計(jì)方法
在各種永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，無論是轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)，還是磁鏈控制環(huán)節(jié)都需要使用定子磁鏈的估計(jì)值，定子磁鏈的估計(jì)精度直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能，從而定子磁鏈的估計(jì)問題成為了各國學(xué)者的研究熱點(diǎn)。估計(jì)定子磁鏈的一種簡(jiǎn)單方法是，利用方程式（3），對(duì)定子電壓和定子電流進(jìn)行積分，得到定子磁鏈的估計(jì)值。這種定子磁鏈估計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是，只需要使用一個(gè)電機(jī)參數(shù)rs，從而對(duì)電機(jī)參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性，缺點(diǎn)是由于積分的累計(jì)效應(yīng)，即使在電壓和電流測(cè)量值中存在很小的直流分量，都會(huì)在定子磁鏈估計(jì)值中產(chǎn)生很大的誤差。
為了減小直流分量對(duì)定子磁鏈估計(jì)精度的影響，文獻(xiàn)[16]中提出了一種級(jí)聯(lián)低通濾波器的定子磁鏈估計(jì)方法。在這種方法中，用可編程級(jí)聯(lián)低通濾波器代替了積分器，根據(jù)供電頻率計(jì)算出每個(gè)低通濾波器的時(shí)間常數(shù)τ和補(bǔ)償增益系數(shù)g，使整個(gè)通道的傳遞函數(shù)在任何頻率下都等于積分器在該頻率下的傳遞函數(shù)值，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖5中，lpf為低通濾波器，es為定子電動(dòng)勢(shì)矢量，。

圖5 基于級(jí)聯(lián)低通濾波器的定子磁鏈估計(jì)方法

由于集膚效應(yīng)和電機(jī)溫度的變化，定子電阻在電機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生顯著的變化，從而，純積分估計(jì)方法存在的另外一個(gè)問題是，定子電阻變化后，如果不對(duì)定子電阻進(jìn)行補(bǔ)償，則會(huì)在估計(jì)結(jié)果中產(chǎn)生的估計(jì)誤差。
針對(duì)這個(gè)問題，文獻(xiàn)[17]提出了一種改進(jìn)方法。在這種改進(jìn)方法中，使用pi調(diào)節(jié)器來對(duì)定子電阻進(jìn)行修正取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。
文獻(xiàn)[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(jì)算出定子磁鏈?zhǔn)噶抗烙?jì)值和定子電流矢量的標(biāo)量積，再對(duì)標(biāo)量積進(jìn)行低通濾波，利用濾波后的標(biāo)量積對(duì)定子磁鏈?zhǔn)噶康墓烙?jì)結(jié)果進(jìn)行修正。
文獻(xiàn)[19]提出了一種利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器估計(jì)定子磁鏈的方法，使用這種方法可以同時(shí)估計(jì)定子磁鏈?zhǔn)噶亢推渌麪顟B(tài)變量，但是這種方法在實(shí)際應(yīng)用中還存在估計(jì)精度低，收斂速度慢等問題。

5 永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略的發(fā)展方向
對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，需要進(jìn)一步深入研究和急需解決的熱點(diǎn)問題如下：
（1） 對(duì)于基于精確動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，如何提高控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化的魯棒性是需要解決的關(guān)鍵問題之一。
（2） 如何進(jìn)一步提高無速度（位置）傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能，是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)問題。
（3） 永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的數(shù)字化問題，以及與之相關(guān)的連續(xù)數(shù)學(xué)模型的精確離散化問題，也是需要解決的關(guān)鍵問題之一。
（4）基于精確離散化數(shù)學(xué)模型的新型控制策略和新型開關(guān)策略的研究，是永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略的發(fā)展方向之一。
（5）永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。文獻(xiàn)[20]研究了最大負(fù)載角對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，但是其他因素對(duì)穩(wěn)定性的影響，還需要進(jìn)行深入的研究。