永磁同步电机两种磁场定向控制策略的比较
浅析永磁同步电机控制策略
浅析永磁同步电机控制策略【摘要】近年来，永磁同步电机凭借其体积小、损耗低、效率高等优点，被广泛应用于各种生产实践中。
与此同时，对永磁同步电机的控制研究也得到了广泛的重视。
本文就永磁同步电机的控制策略做出简单阐述，对比其优缺点，分析永磁同步电机控制侧率的发展方向。
【关键词】永磁同步电机;恒压频比开环控制;矢量控制;直接转矩控制1.引言近年来，随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。
永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。
因此。
这里对永磁同步电机的控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向。
2.永磁同步电机的数学模型永磁同步电机（PMSM）的永磁体和绕组，绕组和绕组之间的相互影响，电磁之间的关系十分复杂，由于磁路饱和等非线性因素，建立精确的数学模型是很困难的。
为了简化PMSM的数学模型，我们通常作如下的假设：（1）磁路不饱和，电机电感不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗;（2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响;（3）三相绕组对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布;（4）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布;（5）驱动二极管和续流二极管为理想元件;（6）转子磁链在气隙中呈正弦分布。
对于永磁同步电机来说，即用固定转子的参考坐标来描述和分析其稳态和动态性能是十分方便的。
此时，取永磁体基波励磁磁场轴线即永磁体磁极的轴线为d轴，而q轴逆时针方向朝前90o电角度。
d轴与参考轴A之间夹角为。
图1为永磁同步电机（PMSM）矢量图。
图1 PMSM空间向量图Fig.1 Space vector diagram of PMSM根据图1所示向量图进行坐标变换，满足功率不变原则，得到在旋转坐标系下PMSM的数学模型方程如下（1）电压方程由三相静止轴系ABC到同步旋转轴系dq的变换得：（1），Rs为定子相电阻，其中：。
基于电力电子技术的新型永磁同步电动机控制技术
基于电力电子技术的新型永磁同步电动机控制技术现代社会对于新能源的需求越来越大，而电力电子技术得到了更好的发展和应用，成为了实现新能源转换的核心技术之一。
在这种背景下，新型永磁同步电动机得到了广泛关注，成为了电力电子技术应用的热门领域之一。
因此，基于电力电子技术的新型永磁同步电动机控制技术已经成为了工业界和学术界热议的话题。
一、新型永磁同步电动机的基础知识新型永磁同步电动机是一种利用同步电机的稳态工作原理和永磁体产生的磁场相互作用，实现能量互变的新型增速电机。
它主要由永磁体、转子、定子等元件组成，最常见的永磁材料为钕铁硼，而电机控制系统则是实现其精度运行所必须的。
与传统电动机相比，新型永磁同步电动机具有更高的效率、更快的响应速度、更小的体积和更广泛的自调节范围等优势。
这种电动机的广泛应用已经成为了电力电子技术领域研究的一个重要方向。
二、电力电子技术在控制新型永磁同步电动机中的应用1.磁场定向控制 (FOC)磁场定向控制是一种目前被广泛应用于新型永磁同步电动机的控制方法。
其核心思想是将电机引入坐标系，并在此基础上进行数学计算，以确定电机转子位置和速度。
FOC通常包括空间矢量脉宽调制技术、PI控制技术等，并采用主动电流反馈来实现二次调节。
该控制方法因其高精度、高响应速度和可调节性被广泛应用于新型永磁同步电动机控制领域。
2.有源功率滤波器控制有源功率滤波器控制技术是基于功率电子器件控制电流共振和电子滤波器控制电压共振的一种高级励磁方法。
其核心原理是将电子滤波器和整流电路结合起来，将滤波电容的电流作为反馈信号输入到PWM伺服电机控制系统中，通过高精度控制产生反向电磁场，以减小电路噪音和电磁干扰。
该方法在较重负载状态下，可以有效提高新型永磁同步电动机的能量转换效率以及音响指数等性能。
三、新型永磁同步电动机控制技术的应用领域新型永磁同步电动机控制技术的应用领域非常广泛，其应用包括但不限于以下几个方面：1.工业成套设备新型永磁同步电动机可以在各种工业设备中发挥其高效、高适应性和柔性等优势。
三种磁场定向矢量控制技术的比较知识讲解
磁场定向矢量控制技术按照获得磁链的不同方式大致可分为两种:直接和间接方式。
直接方式的实现依赖于直接测量或对转子，定子，气隙磁链矢量的幅值和位置的估算。
传统的直接矢量控制策略使用检测线圈，具有抽头的定子绕组或霍尔效应传感器对磁通进行检测，但由于电机结构或散热的需要就会产生一定的限制，但随着目前高速DSP的不断面世，在一个PWM周期内，实现负载的控制及磁链估算应成为可能，所以近年来基于磁链观测器的直接方式由重新得到了人们的重视。
而间接方式则使用电动机模型，例如对于转子磁通定向控制，它利用了固有的转差关系。
与直接的方法相比，间接方式对电机参数有较高的依赖性。
多数场合使用间接策略，因为这会使硬件电路相对简单并且在低频下也具有较好的总体性能，但是由于包含了会随着温度，饱和度和频率变化而变化的电机参数，所以需要研究不同的参数自适应策略。
如果从选择的磁链矢量分类的话，磁场定向矢量控制技术一般可分为三种，即气隙磁场定向控制，定子磁场定向控制，转子磁场定向控制。
1. 气隙磁场定向控制方案。
气隙磁场的定向控制是将旋转坐标系的M轴定向于气隙磁场的方向，此时气隙磁场的T轴分量为零。
如果保持气隙磁通M轴分量恒定，转矩直接和T轴电流成正比。
因此，通过控制T轴电流，可以实现转矩的瞬时控制，从而达到控制电机的目的。
2. 定子磁场定向控制方案。
定子磁场定向的控制方法，是将旋转坐标的M 轴放在定子磁场方向上，此时，定子磁通的T轴分量为零。
如果保持定子磁通恒定，转矩直接和T轴电流成正比，从而控制电机。
定子磁场定向控制使定子方程大大简化，从而有利于定子磁通观测器的实现。
然而此方案在进行磁通控制时，不论采用直接磁通闭环控制，还是采用间接磁通闭环控制，均须消除耦合项的影响。
因此，需要设计一个解耦器，对电流进行解耦。
3. 转子磁场定向控制方案。
转子磁场定向的控制方法是在磁场定向矢量控制方法中，将M,T坐标系放在同步旋转磁场上，将电机转子磁通作为旋转坐标系的M坐标轴。
永磁同步电机工作原理及控制策略
U1
VF1
VF3
VF5
H1
译
A
码
H2
电
B
H3
路
VF4
VF6
VF2
C
Y联结三三通电方式旳控制原理图
PMSM和BLDC电机旳工作原理
vab
Vd
0
2
t
van
0
2
3 Vd
1 3 Vd
t
M
Y联结三三通电方式相电压和线电压波形
a)
VF6VF1VF2导通时合成转矩
Tc 2
b) VF1VF2VF3导通是合成转矩
c)三三通电时合成转矩
K e ：电动势系数； Ta ：电动机产生旳电动转矩平
均（N.m）;
KT ：转矩系数； R ：电动机旳内阻（ ）。
PMSM和BLDC电机旳工作原理
BLDC电机旳动态特征方程
U U Ea IR
Ta KT I
Ta
TL
GD2 375
dn dt
Ea Ken
TL ：电动机负载阻转矩； GD2 ：电动机转子飞轮力矩
FOC中需要测量旳量为：定子电流、 转子位置角
PMSM电机旳FOC控制策略
2、FOC特点 以转子磁场定向 系统动态性能好，控制精度高 控制简朴、具有直流电机旳调速性能 运营平稳、转矩脉动很小
PMSM电机旳FOC控制策略
3、FOC控制方式
id 0 控制
定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与 永磁体磁场空间矢量正交，电机旳输出转矩与定子电 流成正比。 其性能类似于直流电机，控制系统简朴，转矩性能好， 能够取得很宽旳调速范围，合用于高性能旳数控机床、 机器人等场合。电机运营功率因数低，电机和逆变器 容量不能充分利用。
永磁同步电机的降本增效方法
永磁同步电机的降本增效方法
一、优化电机设计：
1. 选用合适的材料：选择高性能的永磁材料，如钕铁硼（NdFeB）磁体，具有高磁能积和良好的热稳定性，能够提高电机的磁能转换效率。
2. 提高电机的绕组设计：采用适当的绕组形式和电机结构，减小绕组电阻和漏阻抗，降低电机的电阻损耗和铜损耗。
3. 优化电机的磁路设计：通过改变磁路结构、增加磁路截面积等方式，减小磁路的磁阻，提高电机的磁能利用率。
二、改进控制策略：
1. 采用高效的磁场定向控制（FOC）策略：FOC是一种基于电流控制的控制策略，能够实现电机磁场的精确控制，提高电机的效率和响应速度。
2. 应用先进的最大转矩控制（MTC）算法：MTC算法能够实现在不同负载条件下，使电机输出最大转矩，提高电机的输出功率和转矩密度。
3. 采用预测控制策略：预测控制策略能够根据电机的工作状态和负载特性，预测电机的转速和转矩需求，从而优化控制策略，提高电机的效率和动态响应性。
三、应用新技术：
1. 采用无感应传感器技术：无感应传感器技术能够实现对电机位置和转速的无接触测量，减少传感器的使用和维护成本，提高系统的可靠性和降低成本。
2. 应用智能控制技术：通过引入人工智能、模糊控制、神经网络等技术，对电机的工作状态进行智能化分析和控制，优化电机的运行效率和能耗。
通过优化电机设计、改进控制策略和应用新技术等方法，可以有效降低永磁同步电机的成本，并提高其效率和性能。
这些方法在实际应用中具有一定的可行性和可操作性，能够为永磁同步电机的降本增效提供有效的解决方案。
永磁同步电动机控制策略
永磁同步电动机控制策略综述1 引言近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。
永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。
因此，这里对永磁同步电机的控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向。
2 永磁同步电动机的数学模型当永磁同步电动机的定子通入三相交流电时， 三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。
由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势； 另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转。
电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通， 并在定子绕组中产生感应漏电动势。
此外，转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势。
为了便于分析，在建立数学模型时，假设以下参数[2-3]：② 忽略电动机的铁心饱和；②不计电机中的涡流和磁滞损耗；③定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆按正弦分布，即忽略磁场中所有的空间谐波；④各相绕组对称，即各相绕组的匝数与电阻相同，各相轴线相互位移同样的电角度。
在分析同步电动机的数学模型时，常采用两相同步旋转（d ，q ）坐标系和两相静止（α，β）坐标系。
图1 给出永磁同步电动机在（d ，q ）旋转坐标系下的数学模型[4]。
(1) 定子电压方程为：d d d q f u p ri ψψω=+- （1） q q q d f u p ri ψψω=++ （2）式中：r 为定子绕组电阻；p 为微分算子，p=d/dt ；d i ，q i 为定子电流；d u ，q u 为定子电压；d ψ，q ψ分别为磁链在d ，q 轴上的分量；f ω为转子角速度（ω=f ω p n ）；p n 为电动机极对数。
(2)定子磁链方程为：d d d f L i ψψ=+ （3）q q q L i ψ= （4）式中：f ψ为转子磁链。
永磁同步电机工作原理及控制策略
永磁同步电机工作原理及控制策略永磁同步电机的工作原理是基于电磁感应定律和磁场力的作用。
其核心部分是由定子和转子组成的。
定子包含绕组，带有若干个相位的线圈，而转子则是由永磁体组成。
当定子绕组通过电流时，产生的磁场会与转子的永磁体产生相互作用，从而产生力矩。
通过极性的切换和稳定的控制，可以实现转矩和速度的调节。
永磁同步电机的控制策略主要包括转矩控制和速度控制两种。
转矩控制是通过改变定子电流的大小和相位来控制电机输出的转矩。
一种常见的转矩控制方法是矢量控制，即将电机的电流矢量旋转到与转子磁场矢量相对齐，从而实现最大转矩输出。
在转矩控制中，还可以采用感应电压控制、直接扭矩控制等方法，具体选择哪种方法取决于应用的具体要求。
速度控制是通过调节输入电压的大小和频率来控制电机的转速。
可以采用开环控制和闭环控制两种方法。
开环控制是根据速度需求提供恰当的电压和频率给电机，但不能调节电机的转矩。
闭环控制则通过添加速度反馈，将实际速度与设定速度进行比较，再调整电压和频率输出，实现电机转速的精确控制。
在永磁同步电机的控制中，还常常使用了空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）技术。
SVM是通过将三相AC电压转换成恰当的电压矢量，控制定子电流的大小和相位。
这种技术可以提高电机的效率、减少电流谐波和噪音，并改善电机的动态性能。
总结起来，永磁同步电机的工作原理是利用磁场力的作用实现高效的电动机转矩和速度调节。
其控制策略包括转矩控制和速度控制，通过改变电机的电流、电压和频率来实现精确的控制。
在控制过程中，SVM技术可以提高电机的效率和动态性能。
随着科技的进步和电机控制技术的发展，永磁同步电机在各个领域的应用将会越来越广泛。
永磁同步电机及转子磁场定向矢量控制
12 伺服系统概述
船舶电力推进领域 推进电机是船舶综合电力系统的重要组成部分、永磁同步推进电 机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、易于实现集中遥控、可靠 性高、可维护性好等优点，是船舶推进电机的理想选择。
12 伺服系统概述
3. 永磁同步电机的数学模型
3.1 在静止坐标系下的数学模型
电机的数学模型中含有时变参数，给分析和计算带来困难。为了简 化永磁同步电机的数学模型，首先对电机做如下假设： 1）忽略铁心饱和； 2）忽略电机绕组漏感； 3）转子上没有阻尼绕组； 4）永磁材料的电导率为零； 5）不计涡流和磁滞损耗； 6) 定子相绕组的感应电动势波为正弦型的，定子绕组的电流在气 隙中只产生正弦分布的磁势，忽略磁场的高次谐波。
12 伺服系统概述
为了使得永磁同步电动机具有正弦波感应电动势波形,其转子磁钢形 状呈抛物线状,使其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布。定子电枢采 用短距分布式绕组,能最大限度地消除谐波磁动势。
图1-2 旋转磁动势波形图
12 伺服系统概述
2. 永磁同步电机的优势与应用
2.1 永磁同步电动机的优势
我国电动机保有量大，消耗电能大，设备老化，效率较低。永 磁同步电动机(PMSM)具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩 大、力能指标好、温升低等特点。
12 伺服系统概述
三相永磁同步电机在定子静止三相坐标系下的电压方程为:
式中: uA、uB、uC——定子相电压; r ——定子绕组每相电阻; iA、iB、iC——定子相电流。 由永磁同步电机的电磁关系可知,其磁链方程和电压方程是一组变系 数微分方程,微分方程的系数随着定转子的相对位置变化而变化,是时间 的函数。
12 伺服系统概述
5. PMSM的矢量控制
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２．１ 矢量控制 ＦＯＣ［２］
控制定子磁链的幅值和旋转方向。而定子电压矢量
在 ｄ，ｑ 坐标系中，ＰＭＳＭ 电压方程通常表示为：
!# ｕｄ＝Ｒｓｉｄ＋Ｌｄ
ｄｉｄ ｄｔ
－ !"ｑ
" $# ｕｑ＝Ｒｓｉｑ＋Ｌｑ
ｄｉｑ ｄｔ
＋!"ｄ
（１）
式中 ｕｄ，ｕｑ— ——定子电压 ｄ，ｑ 轴分量
ｉｄ，ｉｑ—— —定子电流 ｄ，ｑ 轴分量
１引言
永磁同步电机（ＰＭＳＭ）有很多优点［１］，如转矩纹 波系数小、动态响应快、运行平稳、过载能力强，很适 合在负载转矩变化较大的情况下使用；功率因数高， 长期使用节能效果明显，等等。因此，它在交流传动 领域的应用非常广泛，对其高性能控制策略的研究 也成为众多学者关注的焦点。
近几十年，为了满足工业发展对传动控制技术 的需要，高性能的交流传动控制策略不断出现，其 中 ， 最 具 代 表 性 的 就 是 矢 量 控 制（Ｆｉｅｌｄ－Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，简称 ＦＯＣ）和直接转矩控制（Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ，简称 ＤＴＣ）。ＦＯＣ 基于转子磁场定向，而 ＤＴＣ 基于定子磁场定向。虽然这两种控制策略的控 制规则不同，但其最终目标是相同的，即无论电机或 负载参数及外界扰动如何变化，通过对电机转矩和
（Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｄｉａｎｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｏｆ Ｆｉｅｌｄ－Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＦＯＣ）ａｎｄ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＴＣ）ｆｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ） ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｂｒｉｅｆ．ＦＯＣ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｏｔａｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ．Ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ ｉｎｔｏ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＤＴＣ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔａｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔ ｉｓ ｔｏｒｑｕｅ．Ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ＤＴＣ ｃａｎ ｂｅ ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ ａｓ：ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ，ｗｉｔｈ Ｂａｎｇ－Ｂａｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔａｂｌｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｏｕｔｐｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｎ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ．Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ（ＩＰＭ）ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ．Ｐｒｉｍａｒｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｔｈｅｏｒｉｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＤＴＣ ｈａｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｓ ＦＯＣ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｒｉｐｐｌｅｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ａｒｅ ｓｏ ｏｂｖｉｏｕｓ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ；ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ
［３］ 李 夙．异步电动机直接转矩控制［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，１９９４．
［４］ Ｚｈｏｎｇ Ｌ，Ｒａｈｍａｎ Ｍ Ｆ，Ｈｕ Ｙ Ｗ，ｅｔ ａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅｓ ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ ＰＥ，１９９７，１２（３）：５２８～５３５．
ｉｄ＝０ 时矢量控制结构框图。
图 ３ 永磁同步电机 ＤＴＣ 系统框图
３ 实验与分析
为了比较这两种控制策略的控制性能，搭建了 一个硬件系统实验平台，图 ４ 示出硬件结构框图。采 用电机控制专用芯片 ＤＳＰ－ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 作为主 控芯片，其工作频率高达 ４０ＭＨｚ，内部有两个事件
管理器，有 ＰＷＭ 信号产生模块、ＡＤ 转换模块和正
交脉冲信号输入电路等。主电路的逆变器部分采用
ＰＭ３０ＣＳＪ０６０ 型 ＩＰＭ 模块，最高工作电压 ６００Ｖ，最
大工作电流 ３０Ａ，开关频率高达 ２０ｋＨｚ。相电流和母
图 ２ 永磁同步电机矢量控制框图
２．２ 直接转矩控制 ＤＴＣ［３， ４］ ＤＴＣ 是基于定子磁场定向的，通过观测转矩和
磁链的实际值，并分别与转矩和磁链的参考值作滞
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
（上接第 ９ 页）压出现突变时装置的补偿效果。图 １１ 设计研制了一台 ＤＣＩ－ＵＰＱＣ 实验样机。实验结果表
示出系统电压突变跌落时的补偿效果。对比图 １１ａ 明，样机具有电压稳态和动态补偿功能，可有效抑制
图 ５ 和图 ６ 分别示出 ＦＯＣ 和 ＤＴＣ 带负载启动 ２７
第 ４１ 卷第 １ 期 ２００７ 年 １ 月
的实验波形。速度给定为 １０００ｒ／ｍｉｎ。
图 ５ 永磁同步电机 ＦＯＣ 实验波形
电力电子技术
Ｖｏｌ．４１， Ｎｏ．１
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｊａｎｕａｒｙ， ２００７
比较两图可见，ＤＴＣ 的动态响应性能与 ＦＯＣ 差
第 ４１ 卷第 １ 期
电ｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
永磁同步电机两种磁场定向控制策略的比较
林伟杰
（杭州电子科技大学，浙江 杭州 ３１００１８）
Ｖｏｌ．４１， Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ， ２００７
摘要： 简要分析了永磁同步电机（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ，简称 ＰＭＳＭ）矢量控制和直接转矩控制
论分析的正确性和装置拓扑的有效性。
图 １１ 系统电压突变时补偿的波形图
６结论
直流隔离单元是一种新型电气结构，其主要功 能是进行电气隔离和能量传递，可应用于现有的 ＦＡＣＴＳ 和 ＤＦＡＣＴＳ 设备中，以代替变压器隔离方 案，避免变压器所带来的不利影响。本文对 ＤＣＩ 单 元电气隔离和传送能量的工作原理进行了定量的理 论分析。在此基础上，对基于 ＤＣＩ 单元的 ＵＰＱＣ 从 能量流动的角度进行了讨论，根据 ＵＰＱＣ 以及电力 电子装置的特点设计了先进的 ＤＳＰ 数字控制器，并
子磁链控制的目的。以 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 为控制芯片，并采用智能功率模块，搭建了实验平台，对这两种控制策略的
初步实验测试结果表明，直接转矩控制的动态响应特性与矢量控制相差不大，但存在明显的电流和转矩波动。
关键词： 永磁电机；矢量控制；转矩控制
中图分类号： ＴＭ３０１．２；ＴＭ３５１
文献标识码： Ａ
补偿前电压 ｕｓｙｓ 和补偿后电压 ｕｃｏｍ，并由图 １１ｂ 补偿 后的负载电流 ｉｌｏａｄ 和谐振电流 ｉＬｒ 可见，ＵＰＱＣ 有效 抑制了电压突变对负荷造成的影响。
供电电压故障对负荷的影响。同时实验样机可有效 提供负荷所需要的无功电流，吸收负荷所产生的谐 波电流并对动态负荷进行补偿。实验结果验证了理
（８）
由式（８）可知，通过控制 !ｓ 的幅值和 & 即可实 现对转矩的控制。
考虑凸极式 ＰＭＳＭ，若忽略凸极效应，可以认为
Ｌｄ＝Ｌｑ，则转矩为：
Ｔｅ＝
３ ２
ｐ"ＰＭｉｑ
（４）
因 ｐ 和 "ＰＭ 为恒定值，故 Ｔｅ 只 ｉｑ 的影响。实际
操作时，通过实时检测定子绕组电流和转子位置角
度，根据派克变换原理，计算得到 ｉｄ 和 ｉｑ。由 ｉｄ 控制 定子磁链的幅值，ｉｑ 控制电机转矩的大小，从而使电 机表现出如直流电机的外部特性。图 ２ 示出 ＰＭＳＭ的
"ｄ，"ｑ—— —磁链 ｄ，ｑ 轴分量
Ｌｄ，Ｌｑ—— —电感 ｄ，ｑ 轴分量 Ｒｓ—— —定子电阻
磁链方程表示为：
%"ｄ＝Ｌｄｉｄ＋"ＰＭ
"ｑ＝Ｌｑｉｑ
（２）
式中 "ＰＭ—— —转子永磁体励磁链过定子绕组的磁链
转矩方程表示为：
Ｔｅ＝
３ ２
（ｐ "ｄｉｑ－
"ｑｉｄ）＝
３ ２
ｐ &"ＰＭｉｑ＋（Ｌｄ－
Ｌｑ）ｉｄｉｑ
在 # ，$ 坐标系下，ＰＭＳＭ的定子磁链为：
( !ｓ＝ )Ｕｓ－ Ｒｓ Ｉｓ *ｄｔ
（５）
式中 Ｕｓ，Ｉｓ—— —定子电压和电流矢量
若忽略 Ｒｓ 的影响，那么定子磁链可以表示成定
子电压的积分形式：
( !ｓ＝ Ｕｓｄｔ
（６）
即通过选择不同的定子电压空间矢量，即可方便地
图 ４ 系统硬件框图
实验所用 ＰＭＳＭ 的主要参数为：额定电压 ＵＮ＝ ２２０Ｖ，额定电流 ＩＮ＝５Ａ，Ｒｓ＝０．９７５"，ｐ＝４，%ＰＭ＝０．２Ｗｂ， Ｊ＝１．０×１０－３ｋｇ·ｍ２。光电编码器输出为 ２５００ 脉冲／转。 系统采样周期为 １００#ｓ。
器，采用 ＩＰＭ 模块，搭建了系统实验平台。实验结果 表明，直接转矩控制与矢量控制的动态响应特性差
别不大，但是，直接转矩控制存在较为明显的电流和
转矩波动。
参考文献
图 ６ 永磁同步电机 ＤＴＣ 实验波形
［１］ 唐任远．现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，１９９７．