1.1研究意义

永磁同步电机（PMSM）具备体积小、结构简单、重量轻、效率高、转矩惯量比大等优点。和直流电机相比，其没有直流电机的电刷和换向器，因而避免了由此带来的一系列问题。和异步电机相比，PMSM不需要励磁电流，因而功率因数高，且定子电阻产生的有功损耗小，同时转子参数可测，控制性能更好。相比普通同步电机，永磁同步电机省去了励磁装置，简化了系统结构，提高了效率。采用矢量控制或者直接转矩控制等先进控制算法的永磁同步电机系统能够实现高精度大范围的调速或定位控制，并且其动态性能良好，因此，永磁同步电机在各个领域得到了越来越广泛的应用^[1-3]。。

然而，自直接转矩控制技术诞生以来，很长一段时间内只限于在异步电机中的应用，由于零矢量在永磁同步电机中作用效果与异步电机不一样，甚至很多人断言直接转矩控制不适用于永磁同步电机。直到1996年英国的FrenchC和Acamley P发表了关于永磁同步电机直接转矩控制的论文，1997年由 ZhongL、RahmanMF 和胡育文教授等人提出永磁同步电机直接转矩控制方案，初步确立了永磁同步电 机直接转矩控制策略的理论基础。自此，直接转矩控制在永磁同步电机中的应用成了众多科研人员的研究热点，但还存在着转矩脉动严重、开关频率不稳定、低速性能不好的问题。为了从根本上减小直接转矩控制的转矩脉动，由 Habetler 于 1991 年首先提出的基于空间矢量的直接转矩控制，并应用于异步电机中，近年来，其在永磁同步电机中的应用得到广泛关注。SVM-DTC 采用 PI 调节器代替滞环比较器，采用空间矢量调制技术获得任意电压矢量，从根本上克服了 Bang-Bang 控制的缺点，提高了直接转矩控制的性能^[4]，因此对基于空间矢量调制的永磁同步电机的新型直接转矩控制策略进行研究显得尤为必要。

1.2研究目的

作为主要的动力设备和能量转换装置，电机控制性能的优劣直接关系到一个国家的工业生产力水平。同时，在全球能源危机的大背景下，能源问题受到越来越多的关注，而电机作为能源的主要消耗者，通过不断完善其控制理论以及发展性能更好的电力电子变换装置来提升电机的效率是当今一个非常热门的研究课题。基于永磁同步电机的直接转矩控制理论作为一种诞生不久的新理论，虽然有诸多优点，但是由于还存在许多尚未解决的问题以及不完善之处，其应用还相当有限。正是基于上述原因，本文对永磁同步电机控制策略做了一些研究，针对永磁同步电机传统直接转矩控制稳态时有明显的磁链、转矩和电流脉动，而且开关频率不恒定的缺点，设计了一种基于参考空间电压矢量调制的直接转矩控制，用PI调节器模块代替了传统直接转矩控制中的滞环控制器，用空间电压矢量调制模块代替了传统直接转矩控制中的开关表，根据磁链和转矩偏差准确选择有效电压矢量及其作用时间，以期减少永磁电机直接转矩控制的转矩脉动，提高电机控制性能。

1.3 国内外的研究现状

与矢量控制相比，直接转矩控制不需要复杂的坐标变换、结构简单、计算量小、响应速度快、鲁棒性强。但是，传统的直接转矩控制采用滞环控制器，其输出值为“0”或者“1”，它只能对转矩和磁链误差做出定性的判断，而不能对误差值做出定量的计算以选择相应的电压矢量对当前的磁链和转矩做最优补偿，这是造成转矩和磁链脉动的主要原因。同时，在提高采样频率的情况下，滞环比较器的输出在几个连续的采样周期里边不一定会改变其输出值，如果此时定子磁链所 在扇区位置也没变，那么其选择的电压矢量还是原来的值，因而造成开关频率的不恒定，给系统功率电路的设计提出了更高的要求。对此，国内外的诸多专家学者对 DTC 展开了更深入研究，主要可以归纳为以下几方面。

（1）新型磁链模型的研究，对当前定子磁链矢量观测的准确与否直接决定直接转矩控制的性能，而定子磁链不能直接检测，因此在实际系统中，都采用间接观测的方法，即通过检测电机的定子电压和电流，并用相关电机参数来实时的计算出当前定子磁链的矢量，传统的磁链模型误差大、对电机参数变化鲁棒性差， 因此对磁链模型的研究是现在乃至今后一个很重要的方向，如现在比较热门的定子磁链自适应观测器，基于参数辨识的磁链观测器等。本文第二章就提出了一个基于误差反馈的新型磁链观测器^[5]。

（2）无速度传感器在直接转矩控制中的应用：相比于矢量控制，直接转矩控制的调速系统省掉了位置传感器，在一定程度上简化了系统结构，降低了成本。但由于采用速度闭环控制，需要测量电机的转速，传统的电机转速测量装置的安装会导致系统可靠性下降，成本增加，而且，此类传感器不适用于潮湿，粉尘等恶劣环境，所以无速度传感器的研究一直是热点，也有很多新成果不断涌现，如基于滑膜观测器的转速辨识、自适应观测器转速辨识、基于卡尔曼滤波器的转速辨识和基于神经网络的转速辨识等等^[6-7]。

（3）增加有效电压矢量数量。增加电压矢量的方法主要有两类：增加开关器件数目，改变拓扑结构，这会在一定程度上增加系统成本和系统控制复杂程度，同时降低系统的可靠性；采用离散空间矢量调制技术合成更多的电压矢量。采用这两种方法，能够建立更复杂的电压矢量开关表，有效的减小输出转矩脉动^[8]。