中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集

 

内嵌式永磁同步电机变结构直接转矩控制及定子磁链的观测 

徐壮      徐殿国    于泳 

哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001    

Email：

zxu@hit.edu.cn

     

   

 

摘    要    本文提出了一种无速度传感器变结构直接转矩控制的高性能内嵌式永磁同步电机（IPM）驱动控制系统。其中

包括用先进的转矩和定子磁链控制器以及观测器对系统进行的重要改进。用一个自适应滑模观测器提高了定子磁链和转子辨

识转速的观测精度和鲁棒性。经过详尽的理论分析，计算机仿真和实验验证了实现高性能的，无持续位置传感器，无速度传

感器，无电流控制器的，直接转矩控制的内嵌式永磁同步电机的驱动系统的可能性。经过对电压源逆变器非线性影响的补偿，

直接转矩控制的内嵌式永磁同步电机的驱动系统展示了良好的超低速，大转矩的性能。

。 

关键词    无速度传感器,  内嵌式永磁同步电机,  直接转矩控制 

 

 

1．引言 

中国拥有世界上最大的高能量密度永磁材料（釹-

铁-硼）的储量。此永磁材料可用于生产高性能的 IPM 
电机。与感应电机相比，IPM 电机的优越性有：整体
的高效率、有效的利用磁阻转矩使得电机在低、高转
速的极限都能保持高效率，更小的电机体积减少了转
动惯量，基于凸极性的弱磁控制扩大了转速范围。除
了用于带高分辨率机械传感器的伺服场合外，当前超
大转速范围无速度传感器驱动技术的局限性阻碍了

IPM 电机的广泛应用。电机转速范围的扩大可以通过
电磁系统的设计（大弱磁范围）来实现。在超大转速
范围（包括极低速、零速、大转矩）内，无速度传感
器位置和磁链观测器的精度决定了系统快速动态响应
的性能和稳定性。直接转矩控制和高精度磁链观测器
的结合促进了 IPM  电机的广泛采用，将大大提高能量
效率和中国产品的市场占有率。目前，IPM 同步电机
有不同的控制方案。其中最新的当数先进的转矩控制
技术。在高性能的 IPM 驱动系统中，  转矩控制是采
用矢量控制技术(FOC)，在转子坐标系下，通过 PI 电
流调节器实现的。在高转速范围，由于与参数、转速
相关联的耦合作用，电流调节器会使系统的性能降低。
因转矩不是直接反馈信号，FOC 间接控制了电机的转
矩，限制了快速的转矩、磁链响应。 

IPM 同步电机的直接转矩控制（DTC）系统[1]于

１９９７年在澳大利亚的新南威尔士大学研究开发。

在如图-1 所示的 DTC 系统中，通过查表选择合适的电 

 

Inverter

IPM

Switching

Logic

Torque

regulator

Flux

regulator

-

Torque estimator

Flux Estimator

v

dc

Voltage

vectors

Flux and torque estimator

Initial rotor

position

Stator

currents

ˆ

T

ˆ

|

|

λ

-

ˆ

T

ˆ

θ

*

T

*

λ

+

+

 

 

图1. IPM同步电机直接转矩控制系统框图 

 

压矢量或逆变器开关状态，直接、独立地控制电磁转

矩和定子磁链。选择最优的定子电压矢量，把磁链和

电磁转矩误差限制在相应的滞环宽度内。直接转矩控

制具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等

优点。由于优化的开关逻辑取代了 PWM 调制，消除
了 PWM 造成的延迟。 

DTC 是基于静止坐标系下进行控制的，所以是先

天的无速度传感器的转矩控制技术。但它却是建立在
单一矢量、转矩和磁链滞环的 Bang-Bang 控制基础之
上的控制方法，不可避免地造成了低速开关频率低、
开关频率不固定以及转矩脉动大，限制了直接转矩控