永磁同步電機直接轉矩控制的發展現狀

程松遼，陸永耕，袁紅杰，賈竹青

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永磁同步電機直接轉矩控制的發展現狀

程松遼，陸永耕，袁紅杰，賈竹青

（上海電機學院 電氣學院，上海 201306）

簡要介紹了永磁同步電機的應用領域，簡述了發展永磁同步電機控制技術的重要性和必要性，同時闡述了永磁同步電機直接轉矩控制（DTC）的優缺點——優點是控制方式簡單、易于實施；缺點是存在轉矩脈動大等問題。針對控制中存在的問題，國內外學者都提出了改進策略，現對此進行簡要的總結。

永磁同步電機；DTC；轉矩脈動；零矢量

據統計，驅動各類電機的電力消耗在每年的能源消耗中占據了不小的份額，因此，電機系統的研究吸引了眾多學者。而永磁同步電機由于其出色的運行特性被廣泛運用于各行各業的電機驅動領域。

永磁同步電機不僅在日常生活中得到廣泛應用，同時還在高端科技領域得到應用。近些年，隨著科學技術的發展，高性能的永磁同步電機被生產出，永磁同步電機實現了無刷化運行，同時異步電動機具備的優點它都具備，通過高性能的控制方式使其輸出的轉矩特性足以媲美直流電動機。我國具有豐富的稀土資源，有著豐富的永磁同步電機原料生產，所以研究永磁同步電機的控制系統也可以推動我國經濟的發展。

1 直接轉矩控制方式簡介

直接轉矩控制技術（Direct Torque Control）簡稱“DTC”，是一種可以媲美矢量控制的新興控制技術，它的提出對推動電機發展具有無可替代的意義。在直接轉矩被提出的時候，它的應用對象就是感應電機，隨后國內外學者把這項技術推廣到永磁同步電機上。直接轉矩控制相比于矢量控制的優點是直接對轉矩進行控制，系統控制性能良好，但是同時也存在轉矩脈動大等缺點，國內外學者對此作出了一些改進研究。

2 國外研究現狀

文獻[1]運用電機轉矩模型并結合輸入轉矩與實際轉矩之間的誤差得到在一個控制周期內非零矢量和零矢量各自的作用時間，從而能夠達到明顯的抑制轉矩脈動，優化系統的控制性能；文獻[2]在DTC中引入了空間電壓矢量調制技術（Space Vector Modulation，SVM），該技術的關鍵之處就是可以由相鄰的兩個非零矢量和一個零矢量合成任意的電壓矢量，達到精確控制轉矩和磁鏈的效果，從而顯著地降低轉矩脈動和磁鏈脈動；文獻[3]用滑模變結構控制取代磁鏈和轉矩調節器，明顯降低了轉矩脈動和磁鏈脈動。

3 國內研究現狀

文獻[4]在直接轉矩控制中引入了零矢量，用仿真和實驗進行了分析，零矢量的作用結果受到轉速的影響。在其他參數不變時，零矢量抑制轉矩脈動的效果隨著轉速增加而提升，高速時，零矢量實際起到了減小轉矩的作用。文獻[5]從零電壓矢量的作用原理入手，深入分析了零矢量在永磁同步電機DTC系統中的作用以及轉矩滯環比較器結構的優化對轉矩波動的影響。通過采用滯環寬度優化的轉矩滯環比較器比傳統轉矩滯環比較器的轉矩波動小。文獻[6]將滑模變結構引入到永磁同步電機DTC中，從而將滑模變結構對外界的擾動不敏感、結構簡單、響應快的優勢引入控制系統中。同時采用變指數趨近律，可以在最大程度上消除抖振。為了進一步削弱到達原點前狀態變量運動軌跡的抖振，對符號函數采用平滑處理，這種方法大幅度減小了轉矩脈動，而且保證了開關頻率不變，降低了轉矩脈動和磁鏈脈動。

4 永磁同步電機在實際生活中的應用

4.1 永磁同步電機在空調中的應用

自從空調被發明以來，它在人們的日常生活中起到了不可替代的作用，而變頻空調就是近些年來空調的發展趨勢之一。近些年來，各大空調廠商都對變頻空調的研究投入了巨額資金，促進了變頻空調的實用化。變頻空調的實現，不僅提高了工作性能，還明顯降低了能耗，消除了噪聲，同時使用壽命有了明顯的延長。

變頻空調（Variable Frequency Air Conditioner）的出現意味著空調的發展進入了一個嶄新的階段。傳統定頻空調的運轉頻率不變，無論是在什么工況下，它都是定頻運行，能耗高，噪聲大。而變頻空調能夠隨著設置溫度和環境溫度差值大小的變化而變化。壓縮機是空調的主要功能部件，同時它也是空調系統中耗能最多的一部分。在傳統變頻空調出現的初期，各大廠商生產出的變頻空調都是采用三相異步電機作為壓縮機，它的效率不高。而使用永磁同步電機的效率要明顯高于三相異步電機。

如今，環境問題成為了全世界關心的問題，各國都采取了不同的措施來改善環境，而節能是從源頭上減少污染的排放。由于生活水平的提高，空調在大多數家庭都得到了普及，而空調在家庭中的耗電量占到了不小的比例，因此各空調廠商都以降低能耗作為產品的亮點，而壓縮機性能的提升則是重中之重。在這樣的情況下，各大廠商都選擇將具有高效率、壽命長、噪聲低的永磁同步電機應用于壓縮機上。

4.2 永磁同步電機在電動汽車上的應用

傳統的汽車以化石燃料進行驅動，它對環境污染大，而電動汽車是以電力進行驅動，它對環境污染小，甚至無污染，還可以在一定程度上緩解化石能源的緊張局面。電動汽車運行時產生的噪聲低，運行性能良好，幾乎無污染，因此受到世界各國的歡迎。

像使用石油的汽車一樣，電動汽車的電池容量起到了汽車油箱的作用，電池的容量決定了電動汽車的續航能力。而目前電池的容量較小，短期內很難有跨越式的提升，所以在電池容量一定的情況下，通過提高驅動系統中的電機工作效率來提高電動汽車的續航能力。目前，應用于電動汽車中的電機主要有直流電機、感應電機和永磁同步電機。

電動汽車在使用直流電機、感應電機時都存在工作效率低、過載能力低等問題，而使用永磁同步電機能提高電動汽車的工作效率，并且維護簡單、節能高效，電動汽車運行時動態性能良好，因此永磁同步電機在電動汽車上的使用引起了各大汽車廠商的關注。永磁同步電機驅動系統便于控制，同時在結構上能夠實現電機與齒輪箱一體化，因此永磁同步電動機被列為電動汽車的發展方向之一。

5 結束語

經過多年的發展，永磁同步電機直接轉矩控制不只是在理論方面有了更深入、更細致的研究，同時也推進了永磁同步電機DTC進入實用階段，但是在實際應用中還存在轉矩脈動大等問題。因此，研究直接轉矩控制減少輸出轉矩脈動，抑制轉矩和磁鏈脈動，改善直接轉矩控制系統性能，有著十分重要的現實意義和廣闊的應用前景。

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［4］王瑩，胡育文，楊建飛.零矢量在永磁同步電機直接轉矩控制中的作用及其仿真研究［J］.微電機，2011，44（06）：48-51.

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2095－6835（2018）18－0070－02

TM341

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.070

程松遼（1994—），男，研究方向為電機與智能電器。

〔編輯：劉曉芳〕