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永磁同步电机直接转矩控制系统的设计

引言

随着现代工业自动化水平的不断提升，以及新能源、机器人、电动汽车等领域的蓬勃发展，对高性能电机驱动系统的需求日益迫切。永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM）以其高效率、高功率密度、高torque/inertia比以及良好的动态响应特性，在众多应用场合展现出显著优势，逐渐成为主流选择。

在PMSM的控制策略中，直接转矩控制（DirectTorqueControl,DTC）以其独特的控制思想和优良的控制性能，受到了广泛关注和深入研究。与矢量控制（FieldOrientedControl,FOC）相比，DTC省去了复杂的坐标变换和精确的解耦控制，而是直接对电机的磁链和转矩进行闭环控制，通过选择合适的电压空间矢量来实现对电机状态的快速调节。这种控制方式不仅简化了控制系统的结构，还能获得更快的动态响应速度。

本文将围绕永磁同步电机直接转矩控制系统的设计展开深入探讨，从理论基础到实际系统构成，详细阐述设计过程中的关键环节与核心技术，旨在为相关工程实践和学术研究提供具有实用价值的参考。

一、永磁同步电机直接转矩控制的理论基础

1.1永磁同步电机数学模型

为了便于分析和设计控制系统，首先需要建立永磁同步电机在特定坐标系下的数学模型。通常，在两相静止坐标系（α-β坐标系）或两相旋转坐标系（d-q坐标系）下描述PMSM的动态特性。考虑到直接转矩控制的特点，α-β坐标系下的模型更便于直接分析磁链和转矩的关系。

在α-β坐标系下，PMSM的电压方程可表示为：

*u_α=R_si_α+dψ_α/dt

*u_β=R_si_β+dψ_β/dt

其中，u_α、u_β为定子电压的α、β轴分量；i_α、i_β为定子电流的α、β轴分量；R_s为定子电阻；ψ_α、ψ_β为定子磁链的α、β轴分量。

定子磁链ψ_α、ψ_β由定子电流产生的磁链和永磁体产生的磁链两部分组成：

*ψ_α=L_si_α+ψ_fcosθ

*ψ_β=L_si_β+ψ_fsinθ

其中，L_s为定子绕组电感（假设为隐极电机，L_d=L_q=L_s）；ψ_f为永磁体产生的磁链；θ为转子位置角。

电磁转矩T_e可由磁链和电流的交叉乘积得到，或表示为磁链幅值、电流幅值以及两者夹角的函数。在直接转矩控制中，常用的转矩表达式为：

T_e=(3/2)*p*(ψ_αi_β-ψ_βi_α)

其中，p为电机极对数。此式清晰地表明，电磁转矩与定子磁链矢量和定子电流矢量的叉积成正比，即与两者的幅值及其夹角的正弦值成正比。

1.2直接转矩控制的基本原理

直接转矩控制的核心思想是：在定子坐标系下，通过检测电机的定子电压、电流和转速（或转子位置），直接计算出电机的定子磁链和电磁转矩，并将其与给定的磁链参考值和转矩参考值进行比较。利用比较后的差值，通过滞环比较器产生相应的控制信号，再根据当前定子磁链的位置和大小，从预先设计好的开关表中选择合适的电压空间矢量，控制逆变器的开关状态，从而实现对电机磁链和转矩的直接、快速控制。

其主要特点包括：

1.直接控制目标：直接以磁链和转矩为控制对象，无需复杂的坐标变换和电流闭环控制。

2.采用滞环比较器：对磁链和转矩的偏差进行实时跟踪和控制，动态响应快。

3.电压空间矢量调制：通过选择合适的电压空间矢量来控制磁链和转矩的变化率。

4.开关状态优化：根据磁链位置和滞环比较结果选择逆变器最佳开关状态，减少开关损耗，提高效率。

二、直接转矩控制系统的主要构成与设计

一个典型的永磁同步电机直接转矩控制系统主要由以下几个部分组成：永磁同步电机本体、逆变器、电流传感器、位置/速度传感器（或无位置传感器观测器）、磁链和转矩估算模块、磁链和转矩滞环比较器、电压空间矢量选择模块（开关表）以及速度/转矩给定模块。

2.1磁链和转矩估算

准确估算定子磁链和电磁转矩是直接转矩控制实现的前提。磁链估算的精度直接影响转矩控制性能和系统稳定性。常用的磁链估算方法有基于电压模型的估算和基于电流模型的估算。

*基于电压模型的磁链估算：

根据定子电压方程，通过对定子反电动势积分来估算磁链。其公式为：

ψ_α=∫(u_α-R_si_α)dt

ψ_β=∫(u_β-R_si_β)dt

这种方法在中高速时精度较高，但在低速时，由于定子电阻压降的影响相对增大，且积分环节易引入漂移和初始值误差，估算精度会下降。为改善低速性能，通常需要对定子电阻进行温度补偿，并采用低通滤波器或带有积分校正的观测器来替代纯积分环节。

*基于电流模