永磁同步电机直接转矩控制的发展现状

程松辽，陆永耕，袁红杰，贾竹青



永磁同步电机直接转矩控制的发展现状

程松辽，陆永耕，袁红杰，贾竹青

（上海电机学院 电气学院，上海 201306）

简要介绍了永磁同步电机的应用领域，简述了发展永磁同步电机控制技术的重要性和必要性，同时阐述了永磁同步电机直接转矩控制（DTC）的优缺点——优点是控制方式简单、易于实施；缺点是存在转矩脉动大等问题。针对控制中存在的问题，国内外学者都提出了改进策略，现对此进行简要的总结。

永磁同步电机；DTC；转矩脉动；零矢量

据统计，驱动各类电机的电力消耗在每年的能源消耗中占据了不小的份额，因此，电机系统的研究吸引了众多学者。而永磁同步电机由于其出色的运行特性被广泛运用于各行各业的电机驱动领域。

永磁同步电机不仅在日常生活中得到广泛应用，同时还在高端科技领域得到应用。近些年，随着科学技术的发展，高性能的永磁同步电机被生产出，永磁同步电机实现了无刷化运行，同时异步电动机具备的优点它都具备，通过高性能的控制方式使其输出的转矩特性足以媲美直流电动机。我国具有丰富的稀土资源，有着丰富的永磁同步电机原料生产，所以研究永磁同步电机的控制系统也可以推动我国经济的发展。

1 直接转矩控制方式简介

直接转矩控制技术（Direct Torque Control）简称“DTC”，是一种可以媲美矢量控制的新兴控制技术，它的提出对推动电机发展具有无可替代的意义。在直接转矩被提出的时候，它的应用对象就是感应电机，随后国内外学者把这项技术推广到永磁同步电机上。直接转矩控制相比于矢量控制的优点是直接对转矩进行控制，系统控制性能良好，但是同时也存在转矩脉动大等缺点，国内外学者对此作出了一些改进研究。

2 国外研究现状

文献[1]运用电机转矩模型并结合输入转矩与实际转矩之间的误差得到在一个控制周期内非零矢量和零矢量各自的作用时间，从而能够达到明显的抑制转矩脉动，优化系统的控制性能；文献[2]在DTC中引入了空间电压矢量调制技术（Space Vector Modulation，SVM），该技术的关键之处就是可以由相邻的两个非零矢量和一个零矢量合成任意的电压矢量，达到精确控制转矩和磁链的效果，从而显著地降低转矩脉动和磁链脉动；文献[3]用滑模变结构控制取代磁链和转矩调节器，明显降低了转矩脉动和磁链脉动。

3 国内研究现状

文献[4]在直接转矩控制中引入了零矢量，用仿真和实验进行了分析，零矢量的作用结果受到转速的影响。在其他参数不变时，零矢量抑制转矩脉动的效果随着转速增加而提升，高速时，零矢量实际起到了减小转矩的作用。文献[5]从零电压矢量的作用原理入手，深入分析了零矢量在永磁同步电机DTC系统中的作用以及转矩滞环比较器结构的优化对转矩波动的影响。通过采用滞环宽度优化的转矩滞环比较器比传统转矩滞环比较器的转矩波动小。文献[6]将滑模变结构引入到永磁同步电机DTC中，从而将滑模变结构对外界的扰动不敏感、结构简单、响应快的优势引入控制系统中。同时采用变指数趋近律，可以在最大程度上消除抖振。为了进一步削弱到达原点前状态变量运动轨迹的抖振，对符号函数采用平滑处理，这种方法大幅度减小了转矩脉动，而且保证了开关频率不变，降低了转矩脉动和磁链脉动。

4 永磁同步电机在实际生活中的应用

4.1 永磁同步电机在空调中的应用

自从空调被发明以来，它在人们的日常生活中起到了不可替代的作用，而变频空调就是近些年来空调的发展趋势之一。近些年来，各大空调厂商都对变频空调的研究投入了巨额资金，促进了变频空调的实用化。变频空调的实现，不仅提高了工作性能，还明显降低了能耗，消除了噪声，同时使用寿命有了明显的延长。

变频空调（Variable Frequency Air Conditioner）的出现意味着空调的发展进入了一个崭新的阶段。传统定频空调的运转频率不变，无论是在什么工况下，它都是定频运行，能耗高，噪声大。而变频空调能够随着设置温度和环境温度差值大小的变化而变化。压缩机是空调的主要功能部件，同时它也是空调系统中耗能最多的一部分。在传统变频空调出现的初期，各大厂商生产出的变频空调都是采用三相异步电机作为压缩机，它的效率不高。而使用永磁同步电机的效率要明显高于三相异步电机。

如今，环境问题成为了全世界关心的问题，各国都采取了不同的措施来改善环境，而节能是从源头上减少污染的排放。由于生活水平的提高，空调在大多数家庭都得到了普及，而空调在家庭中的耗电量占到了不小的比例，因此各空调厂商都以降低能耗作为产品的亮点，而压缩机性能的提升则是重中之重。在这样的情况下，各大厂商都选择将具有高效率、寿命长、噪声低的永磁同步电机应用于压缩机上。

4.2 永磁同步电机在电动汽车上的应用

传统的汽车以化石燃料进行驱动，它对环境污染大，而电动汽车是以电力进行驱动，它对环境污染小，甚至无污染，还可以在一定程度上缓解化石能源的紧张局面。电动汽车运行时产生的噪声低，运行性能良好，几乎无污染，因此受到世界各国的欢迎。

像使用石油的汽车一样，电动汽车的电池容量起到了汽车油箱的作用，电池的容量决定了电动汽车的续航能力。而目前电池的容量较小，短期内很难有跨越式的提升，所以在电池容量一定的情况下，通过提高驱动系统中的电机工作效率来提高电动汽车的续航能力。目前，应用于电动汽车中的电机主要有直流电机、感应电机和永磁同步电机。

电动汽车在使用直流电机、感应电机时都存在工作效率低、过载能力低等问题，而使用永磁同步电机能提高电动汽车的工作效率，并且维护简单、节能高效，电动汽车运行时动态性能良好，因此永磁同步电机在电动汽车上的使用引起了各大汽车厂商的关注。永磁同步电机驱动系统便于控制，同时在结构上能够实现电机与齿轮箱一体化，因此永磁同步电动机被列为电动汽车的发展方向之一。

5 结束语

经过多年的发展，永磁同步电机直接转矩控制不只是在理论方面有了更深入、更细致的研究，同时也推进了永磁同步电机DTC进入实用阶段，但是在实际应用中还存在转矩脉动大等问题。因此，研究直接转矩控制减少输出转矩脉动，抑制转矩和磁链脉动，改善直接转矩控制系统性能，有着十分重要的现实意义和广阔的应用前景。

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［2］TANG L X，ZHONG L M.A novel direct torque control for interior permanent magnet synchronous machine drive with low ripple in torque and flux-a speed-sensorless approach［J］.IEEE Transaction on Industry Applications，2003，39（6）：1748-1756.

［3］Singh B，Singh B P，Dwivedi S.DSP Based Implementation of sliding mode speed controller for direct torque controlled pmsm drive［C］//IEEE International Conference on Industrial Technology，2006：1301-1308.

［4］王莹，胡育文，杨建飞.零矢量在永磁同步电机直接转矩控制中的作用及其仿真研究［J］.微电机，2011，44（06）：48-51.

［5］崔皆凡，王鸿雪，秦超.基于转矩滞环结构优化的零电压矢量作用分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2014（04）：38-40.

［6］童克文，张兴，张昱等.基于新型趋近律的永磁同步电动机滑模变结构控制［J］.中国电机工程学报，2008（21）：102-106.

2095－6835（2018）18－0070－02

TM341

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.070

程松辽（1994—），男，研究方向为电机与智能电器。

〔编辑：刘晓芳〕