1  引言
    永磁同步电动机的突出优点是转子转动惯量小、效率高、功率密度大、可靠性高，正是因为这些优点，永磁同步电动机非常适合应用于高性能伺服系统中。因而，在诸如工业机器人、数控机床等应用场合，永磁同步电动机正在逐步取代直流电动机和感应电动机。
    在上个世纪的90年代，有些学者把基本直接转矩控制思想应用到了永磁同步电动机控制系统中。由于基本直接转矩控制存在转矩脉动和磁链脉动大的问题，为了进一步提高永磁同步电动机直接转矩控制系统的性能，在过去10年间，出现了许多种改进的永磁同步电动机直接转矩控制方法。
    本文对永磁同步电动机直接转矩控制策略进行了综述，介绍了几种改进的永磁同步电动机直接转矩控制策略的实现方法，以及存在的问题，最后对永磁同步电动机直接转矩控制系统的发展方向进行了简单的讨论。

2  永磁同步电动机的基本直接转矩控制原理
    凸极式永磁同步电动机的转矩公式可以表示为：
        （1）
    其中：δ为负载角，即定子磁链矢量Ψs和转子磁链矢量Ψr之间的夹角；np为永磁同步电动机的极对数，Ld为定子的d轴电感，Lq为定子的q轴电感。
    定子磁链矢量、转子磁链矢量、负载角和电压矢量之间的关系如图1所示。

图1  定子磁链矢量、转子磁链矢量和电压矢量之间的关系

    凸极式永磁同步电动机的特点是，定子的d轴电感Ld要比定子q轴电感Lq小。对于隐极式永磁同步电动机，Ld和Lq相同，则式（1）变为    

       （2）
    从式（1）和式（2）可以看出，如果定子磁链恒定不变，可以通过改变负载角来实现对电磁转矩的控制。
    当永磁同步电动机用三相逆变器供电时，可以通过控制开关信号产生8个电压矢量，如图1所示，其中包括6个工作电压矢量（u1～u6）和2个零电压矢量（u0和u7），根据电磁感应定律，定子磁链矢量的计算方法为:
         （3）
    式中，Rs为定子电阻，us和is分别为定子电压矢量和定子电流矢量。如果忽略定子电阻上产生的电压降，利用式（3）可以得到定子电压矢量的变化量为：
        （4）
    式中，Ts为定子电压矢量的作用时间。
    每一个工作电压矢量都可以分解成两个分量，一个分量和定子磁链矢量方向一致，称为径向分量；一个分量和定子磁链矢量方向垂直，称为切向分量。从式（4）可以看出，径向分量可以改变定子磁链的模值；切向分量可以改变定子磁链的转速。通过选择合适的电压矢量可以实现对定子磁链矢量的模值和负载角的控制，进而实现对定子磁链和电磁转矩的精确控制。和异步电动机不同的地方是，永磁同步电动机定子磁链的初始值不为0，其大小和方向取决于转子的初始位置。

3  永磁同步电动机直接转矩控制策略的实现方法
    文献[1]中，首次提出了永磁同步电动机直接转矩控制策略，然而，从本质上讲，这种控制策略不能算作真正的直接转矩控制方法，这是因为这种控制方法是通过控制电动机的定子电流来实现的永磁同步电动机直接转矩控制。文献[2]中提出的直接转矩控制方法是对电磁转矩和定子电流d轴分量的控制，也不属于真正的直接转矩控制。本文不讨论以上两种类型的直接转矩控制策略。
    在文献[3]中对直接转矩控制方法进行了很好的综述，但是其讨论的重点是异步电动机的直接转矩控制方法。
3.1 开关表直接转矩控制策略
    （1）基本开关表的直接转矩控制策略
    这种直接转矩控制系统的结构如图2所示。在图2中，为电磁转矩的给定值，为定子磁链模值的给定值，上标^表示估计值。和的比较结果通过磁链比较器后得到，可以取为两个值，分别为＋1、－1。的比较结果通过转矩比较器后得到eT，eT可以取为三个值，分别为－1、0、1。在8个定子电压矢量中，通过开关表选择一个合适的定子电压矢量，作为永磁同步电动机的定子电压矢量给定值。
    文献[4]使用这种基本的直接转矩控制方法，实现了永磁同步电动机直接转矩控制系统。文献[5]使用相同的开关表，实现了异步电动机直接转矩控制系统。

图2  永磁同步电动机基本直接转矩控制系统框图

    在文献[6]中，也提出了相似的永磁同步电动机直接转矩控制方法，但是，开关表输出的电压矢量中不包含零电压矢量。
    在文献[7][8]中，使用了相同的直接转矩控制方法，但是对开关表作了简化处理，同时，使用一个低分辨率的光电码盘实现了定子磁链的初始定位。
    文献[9]基于这种控制思想，提出了一种最大转矩/磁链控制方法。
    基于相同的控制思想，文献[10]提出了一种最优效率直接转矩控制方法。
    （2）基于多电压合成开关表的直接转矩控制策略
    基本直接转矩控制方法的主要缺点是，转矩和定子磁链的脉动分量大。在基本直接转矩控制中，只能在8个电压空间矢量中选择一个作为定子电压的给定空间矢量，这样得到的定子电压空间矢量并不一定是最优的。
    文献[11]中，提出了一种基于电压空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）方法的直接转矩控制策略（SVM-DTC）。电压空间矢量调制方法的最大优点是，可以利用基本电压空间矢量（u0～u7）合成72个电压空间矢量，因而在SVM-DTC中，可以根据转矩控制误差和磁链控制误差，按照一定的原则在更多的电压空间矢量中，选择一个最优的电压空间矢量。SVM-DTC控制方法有效的降低了电磁转矩脉动和磁链脉动。
    多电平电压源型逆变器可以合成出更多的电压空间矢量，从而可以更有效的减小转矩脉动和磁链脉动，同时可以降低开关频率。但是，和两电平逆变器相比，利用多电平逆变器实现的直接转矩控制系统，需要更多的开关器件，增加了整个调速系统的成本和复杂性，同时也增加了逆变器的开关损耗，文献[12]对多电平逆变器异步电动机直接转矩控制系统进行了研究，而关于多电平永磁同步电动机直接转矩系统的研究工作还未见报道。
3.2 恒开关频率的直接转矩控制策略
    恒开关频率的直接转矩控制策略都是利用永磁同步电动机的数学模型，计算出在下一个控制周期的最优定子电压给定值，然后使用SVM调制方法产生定子电压矢量。这类控制方法的特点是逆变器的开关频率恒定，能够有效地降低转矩脉动，可以降低控制系统地采样频率。但是，这类控制方法在计算定子电压的过程中，一般需要使用电动机参数，从而存在计算量大的缺点。如果根据最优电压矢量的计算方法进行分类，恒开关频率的直接转矩控制策略主要包括以下几种。
    （1）转矩闭环SVM-DTC控制策略
    转矩闭环SVM-DTC控制策略的系统结构框图如图3所示。

图3  永磁同步电动机SVM-DTC控制系统框图

    在文献[13]中，转矩控制误差作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为负载角改变量Δδ，Δδ和负载角的估计值相加得到负载角的给定值δ* 。控制器VCC根据Δδ、定子磁链给定值、定子磁链估计值和定子电流的测量值is计算出定子电压的给定值。SVM模块利用定子电压给定值产生开关信号，驱动逆变器工作，实现对永磁同步电动机的控制。这种控制方法有效地降低了转矩脉动和磁链脉动，但是，在这种控制系统，PI调节器的参数整定困难。
    （2）预测直接转矩控制策略
    文献[14]中介绍了一种永磁同步电动机预测直接转矩控制策略，结构框图如图4所示。这种控制策略的基本思想是，根据永磁同步电动机的动态方程，对将来的电磁转矩值进行预测，然后根据电磁转矩的预测值，确定逆变器的开关信号。在这种控制策略中，逆变器开关信号的确定方法是，当控制周期Ts一定时，根据动态数学模型计算出在某个工作电压矢量下，电磁转矩到达到允许波动极限的时间t1，在t1时间段内，把这个工作电压矢量作为给定定子电压矢量，在Ts-t1时间段内，选择合适的零电压矢量。从以上分析可见，使用这种控制策略可以把转矩波动量控制在一个设定的范围内。但是，这种控制策略的缺点是，当调速系统处于稳态时，转矩也在设定的上下限内波动，而不能处于稳定状态，另外，在预测电磁转矩的过程中，需要使用永磁同步电动机的电机参数，所以这种控制策略的性能受参数变化的影响比较大。

图4  永磁同步电动机预测直接转矩控制系统框图

    （3）变结构直接转矩控制方法
    文献[15]针对永磁同步电动机提出了一种变结构直接转矩控制方法，得到了滑动曲面和滑模控制律，在计算给定定子电压矢量的过程中，需要使用转矩控制误差、磁链控制误差、定子电压矢量、转子转速等电机状态变量，从而，这种方法对电机参数变化不具有鲁棒性。

4  定子磁链估计方法
    在各种永磁同步电动机直接转矩控制系统中，无论是转矩控制环节，还是磁链控制环节都需要使用定子磁链的估计值，定子磁链的估计精度直接决定着整个系统的性能，从而定子磁链的估计问题成为了各国学者的研究热点。估计定子磁链的一种简单方法是，利用方程式（3），对定子电压和定子电流进行积分，得到定子磁链的估计值。这种定子磁链估计方法的优点是，只需要使用一个电机参数Rs，从而对电机参数变化具有较强的鲁棒性，缺点是由于积分的累计效应，即使在电压和电流测量值中存在很小的直流分量，都会在定子磁链估计值中产生很大的误差。
    为了减小直流分量对定子磁链估计精度的影响，文献[16]中提出了一种级联低通滤波器的定子磁链估计方法。在这种方法中，用可编程级联低通滤波器代替了积分器，根据供电频率计算出每个低通滤波器的时间常数τ和补偿增益系数G，使整个通道的传递函数在任何频率下都等于积分器在该频率下的传递函数值，其结构如图5所示，图5中，LPF为低通滤波器，es为定子电动势矢量，。

图5  基于级联低通滤波器的定子磁链估计方法

    由于集肤效应和电机温度的变化，定子电阻在电机运行过程中会发生显著的变化，从而，纯积分估计方法存在的另外一个问题是，定子电阻变化后，如果不对定子电阻进行补偿，则会在估计结果中产生的估计误差。
针对这个问题，文献[17]提出了一种改进方法。在这种改进方法中，使用PI调节器来对定子电阻进行修正取得了很好的实验效果。
    文献[18]介绍了另外一种解决该问题的方法，在这种方法中，首先计算出定子磁链矢量估计值和定子电流矢量的标量积，再对标量积进行低通滤波，利用滤波后的标量积对定子磁链矢量的估计结果进行修正。
    文献[19]提出了一种利用扩展卡尔曼滤波器估计定子磁链的方法，使用这种方法可以同时估计定子磁链矢量和其他状态变量，但是这种方法在实际应用中还存在估计精度低，收敛速度慢等问题。

5  永磁同步电动机直接转矩控制策略的发展方向
    对于永磁同步电动机直接转矩控制系统，需要进一步深入研究和急需解决的热点问题如下：
    （1） 对于基于精确动态数学模型的直接转矩控制策略，如何提高控制系统对参数变化的鲁棒性是需要解决的关键问题之一。
    （2） 如何进一步提高无速度（位置）传感器直接转矩控制系统的性能，是当今的研究热点问题。
    （3） 永磁同步电动机直接转矩控制系统的数字化问题，以及与之相关的连续数学模型的精确离散化问题，也是需要解决的关键问题之一。
    （4）基于精确离散化数学模型的新型控制策略和新型开关策略的研究，是永磁同步电动机直接转矩控制策略的发展方向之一。
    （5）永磁同步电动机直接转矩控制系统的稳定性问题。文献[20]研究了最大负载角对永磁同步电动机直接转矩控制系统稳定性的影响，但是其他因素对稳定性的影响，还需要进行深入的研究。