永磁同步电机两种磁场定向控制策略的比较

第４１卷第１期电力电子技术

Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２００７

年月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）

摘要：简要分析了永磁同步电机（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ，简称ＰＭＳＭ）矢量控制和直接转矩控制

的基本原理。矢量控制基于转子磁场定向，利用解耦思想将电机电流分解为转矩电流和励磁电流，并分别加以控制，从而获得高性能的控制效果。直接转矩控制基于定子磁场定向，以电机转矩为控制对象，通过实时观测电机转矩和定子磁链，利用滞环控制器和开关选择表控制逆变器功率器件的开关状态，输出合理的电压矢量，达到对转矩和定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子磁链控制的目的。以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ为控制芯片，

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

文章编号：１０００－１００Ｘ（２００７）０１－００２６－０３

ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＴｗｏＫｉｎｄｓｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄＯｒｉｅｎｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌＳｔｒａｔｅｇｉｅｓ

ｆｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ

ＬＩＮＷｅｉ－ｊｉｅ

（ＨａｎｇｚｈｏｕＤｉａｎｚｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｔｈｅｏｒｉｅｓｏｆＦｉｅｌｄ－ＯｒｉｅｎｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌ（ＦＯＣ）ａｎｄＤｉｒｅｃｔＴｏｒｑｕｅＣｏｎｔｒｏｌ（ＤＴＣ）ｆｏｒｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔ（ＰＭＳＭ）ａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｂｒｉｅｆ．ＦＯＣｉｓｂａｓｅｄｏｎｒｏｔａｔｏｒｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄａｎｄｔｈｅｉｄｅａｏｆｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ．Ｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ

ｍｏｔｏｒｃｕｒｒｅｎｔｉｓｄｅｃｏｕｐｌｅｄｉｎｔｏｔｏｒｑｕｅａｎｄｍａｇｎｅｔｉｚｅｄｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｄｉｖｉｄｕａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｆｏｒｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＤＴＣｉｓｂａｓｅｄｏｎｓｔａｔｏｒｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄａｎｄｉｔｓｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｏｂｊｅｃｔｉｓｔｏｒｑｕｅ．ＴｈｅｉｄｅａｏｆＤＴＣｃａｎｂｅｅｘｐｒｅｓｓｅｄａｓ：ｏｂｓｅｒｖｉｎｇｔｏｒｑｕｅａｎｄｆｌｕｘｌｉｎｋａｇｅ，ｗｉｔｈＢａｎｇ－Ｂａｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｓｗｉｔｃｈｉｎｇｔａｂｌｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｐｏｗｅｒｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｏｕｔｐｕｔｔｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｈｅｎｒｅａｌｉｚｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｏｒｑｕｅａｎｄｆｌｕｘｌｉｎｋａｇｅ．ＡｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａｖｏｌｔａｇｅｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒ，

ａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅ（ＩＰＭ）ｉｓｓｅｔｕｐ．Ｐｒｉｍａｒｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒｔｈｅｓｅｔｗｏｔｈｅｏｒｉｅｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＤＴＣｈａｓｔｈｅｓａｍｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅａｓＦＯＣ，ｂｕｔｔｈｅｒｉｐｐｌｅｓｏｆｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｔｏｒｑｕｅａｒｅｓｏ

ｏｂｖｉｏｕｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍｏｔｏｒ；ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｏｒｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌ

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简称ＦＯＣ）和直接转矩控制（ＤｉｒｅｃｔＴｏｒｑｕｅＣｏｎｔｒｏｌ，

。ＦＯＣ基于转子磁场定向，而Ｃｏｎｔｒｏｌ，简称ＤＴＣ）

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

定稿日期：２００６－０７－２４

作者简介：林伟杰（１９７７－），男，浙江宁海人，博士，研究

方向为微特电机及其控制。

磁链的有效控制，使其能按照规定要求运行。两种控制策略各有其优缺点，对它们的理论研究已经很深入，应用也非常广泛，但是尚缺少对这两种控制策略控制性能的直接比较。

本文的主要目的是针对ＰＭＳＭ，对ＦＯＣ和ＤＴＣ的控制性能做初步的比较研究。通过实验，对ＦＯＣ和ＤＴＣ的动态性能进行了比较，作为进一步深入研究的基础工作。

２

矢量控制和直接转矩控制控制原理

本文只讨论两种控制策略采用基本控制结构的情况。图１示出ＰＭＳＭ空间矢量图。

图１永磁同步电机矢量图

永磁同步电机两种磁场定向控制策略的比较

２．１矢量控制ＦＯＣ［２］

在ｄ，ｑ坐标系中，ＰＭＳＭ电压方程通常表示为：

! ｕｄ＝Ｒｓｉｄ＋Ｌｄｄｉｄ－!" ｑ

#" #ｕｑ＝Ｒｓｉｑ＋Ｌｑｄｉｑ＋!" ｄ

$

式中ｕｄ，——定子电压ｄ，ｕｑ—ｑ轴分量

—定子电流ｄ，ｉｄ，ｉｑ——ｑ轴分量—磁链ｄ，ｑ轴分量" ｄ，" ｑ——

—电感ｄ，—定子电阻Ｌｄ，Ｌｑ——ｑ轴分量Ｒｓ——

控制定子磁链的幅值和旋转方向。而定子电压矢量

可以通过直流母线电压Ｕｄｃ和逆变器功率器件的开关状态Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ得到：

Ｕｓ＝２Ｕｄｃ) Ｓａ＋Ｓｂｅｊ２! ／３＋Ｓｃｅｊ４! ／３*

ＰＭＳＭ的转矩也可表示为：

Ｔｅ＝３ｐ! ｓ%ＰＭｓｉｎ&

ｄ

式中&———定子磁链和转子磁链之间的夹角

（１）

（７）

（８）

磁链方程表示为：

" ＝Ｌｉ＋"

%" ＝Ｌｉ

ｄｑ

ｄｄｑｑ

ＰＭ

（２）

由式（８）可知，通过控制! ｓ的幅值和&即可实

现对转矩的控制。

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：

（Ｌｄ－Ｌｑ）Ｔｅ＝３（＝３ｐ&ｐ" ｄｉｑ－" ｑｉｄ）ｉｄｉｑ’（３）" ＰＭｉｑ＋

式中ｐ———ＰＭＳＭ的极对数

考虑凸极式ＰＭＳＭ，若忽略凸极效应，可以认为则转矩为：（４）Ｌｄ＝Ｌｑ，Ｔｅ＝３ｐ" ＰＭｉｑ

故Ｔｅ只ｉｑ的影响。实际因ｐ和" ＰＭ为恒定值，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

最ＰＭ３０ＣＳＪ０６０型ＩＰＭ模块，最高工作电压６００Ｖ，

大工作电流３０Ａ，开关频率高达２０ｋＨｚ。相电流和母线电压检测分别采用霍尔电流和电压传感器。通过检测与电机同轴安装的光电编码器输出的正交脉冲来计算电机转速。与ＰＭＳＭ同轴安装的直流无刷电机作为负载。

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］

通过观测转矩和ＤＴＣ是基于定子磁场定向的，

磁链的实际值，并分别与转矩和磁链的参考值作滞环比较，结合实际定子磁链的空间相位，从一个离线计算的开关表中选择合理的定子电压空间矢量，进而控制逆变器功率器件的开关状态。图３示出永磁同步电机的ＤＴＣ的系统框图。

在#，ＰＭＳＭ的定子磁链为：$坐标系下，

! ｓ＝

Ｕ－ＲＩ()

ｓ

ｓｓ

*ｄｔ

（５）

图４系统硬件框图

式中Ｕｓ，—定子电压和电流矢量Ｉｓ——

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）

实验所用ＰＭＳＭ的主要参数为：额定电压ＵＮ＝

额定电流ＩＮ＝５Ａ，２２０Ｖ，Ｒｓ＝０．９７５" ，ｐ＝４，%ＰＭ＝０．２Ｗｂ，

・Ｊ＝１．０×１０－３ｋｇｍ２。光电编码器输出为２５００脉冲／转。

系统采样周期为１００#ｓ。

图５和图６分别示出ＦＯＣ和ＤＴＣ

带负载启动

即通过选择不同的定子电压空间矢量，即可方便地

第４１卷第１期电力电子技术

Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２００７

年月的实验波形。速度给定为１０００ｒ／ｍｉｎ。

比较两图可见，ＤＴＣ的动态响应性能与ＦＯＣ差别不大，但存在较大的电流和转矩波动。主要原因是，采用Ｂａｎｇ－ＢａｎｇＤＴＣ是以电机转矩为控制对象，滞环控制器，若要实现对电机转矩的高精度控制，需要设定较小的滞环宽度，并且需要很高的采样频率。

４

结论

图５永磁同步电机ＦＯＣ实验波形

简要分析了永磁同步电机矢量控制和直接转矩控制的基本原理。以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ为核心处理器，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

机械工业出［１］唐任远．现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京：

版社，１９９７．

陈静薇，梁振鸿．基于ＤＳＰ的永磁同步电机全数［２］张豫，

（３）：字化矢量控制［Ｊ］．微电机，２００２，３５２３～２６．［３］李［４］

夙．异步电动机直接转矩控制［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９４．

ＺｈｏｎｇＬ，ＲａｈｍａｎＭＦ，ＨｕＹＷ，ｅｔａｌ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＤｉｒｅｃｔＴｏｒｑｕｅＣｏｎｔｒｏｌｉｎＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ（３）：Ｄｒｉｖｅｓ［Ｊ］．

ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＰＥ，１９９７，

１２５２８～５３５．

图６永磁同步电机ＤＴＣ实验波形

（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。实验结果表明，样机具有电压稳态和动态补偿功能，可有效抑制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。实验结果验证了理论分析的正确性和装置拓扑的有效性。

参考文献

［１］ＢａｓｕＭ，ＤａｓＳＰ，ＤｕｂｅｙＧＫ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆ

ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａＳｉｎｇｌｅＰｈａｓｅＵＰＱＣｆｏｒＶｏｌｔａｇｅＳｅｎｓｉｔｉｖｅａｎｄＮｏｎ－ｌｉｎｅａｒＬｏａｄｓＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＤｒｉｖｅＳｙｓｔｅｍｓ［Ａ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ４ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ’０１

示出系统电压突变跌落时的补偿效果。对比图１１ａ

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。

图１１系统电压突变时补偿的波形图

（１）：［Ｃ］．２２～２５Ｏｃｔ，２００１２１８～２２２．

［２］ＳｅｒｍｏｎＲＣ．ＡｎＯｖｅｒｖｉｅｗｏｆＰｏｗｅｒＱｕａｌｉｔｙＳｔａｎｄａｒｄｓａｎｄ

ｓＰｏｉｎｔ－ｏｆ－Ｖｉｅｗ［Ａ］．ＲｕｒａｌＧｕｉｄｅｌｉｎｅｓｆｒｏｍｔｈｅＥｎｄ－ｕｓｅｒ’

０５［Ｃ］．８～１０Ｍａｙ，２００５：Ｂ１／１～ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ’Ｂ１／５．

［３］ＨａｑｕｅＭＴ，ＩｓｅＴ，ＨｏｓｓｅｉｎｉＳＨ．ＡＮｏｖｅｌＣｏｎｔｒｏｌＳｔｒａｔｅｇｙ

ｆｏｒＵｎｉｆｉｅｄＰｏｗｅｒＱｕａｌｉｔｙＣｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ（ＵＰＱＣ）［Ａ］．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＳｐｅｃｉａｌｉｓｔｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ’０２［Ｃ］．ＩＥＥＥ３３ｒｄＡｎｎｕ－：ａｌ，２００２（１）９４～９８．

［４］张秀娟．基于直流隔离单元的统一电能质量控制器的研

究［Ｄ］．清华大学［博士论文］．２００５．

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