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3 永磁同步电机的控制系统
永磁同步电机有许多种控制方式，由于控制系统需要通过精确的转子位置和速度信号的反馈对控制系统进行调节与控制，根据转子位置和速度信号的获得可把控制系统分为有传感器控制和无传感器控制。而根据控制转矩的方式来分又可以分为矢量控制与直接转矩控制。
3.1 有传感器控制与无传感器控制
有传感器控制精度高，控制算法简单，通过硬件方式来获得转子位置和速度的信息，如增量式编码器，绝对式编码器，光电编码器，其中光电编码器是将角位移转换成对应数字代码，集传感器和模数转换于一体的数字式测角仪，可直接与计算机相连，抗干扰能力强，具有很高的测速精度和测速范围。
无传感器控制则可以不依赖于电机参数和负载干扰，在高速段控制中已获得良好的控制性能[10]。高性能的系统控制需要实现转速和位置的闭环控制，所需的转速反馈信号来自和电动机转轴相连的光电码盘、旋转变压器等位置速度传感器。然而，这些设备的加入就带来了一些问题：增加了系统成本，高温、潮湿、振动、粉尘、腐蚀性等环境都会对传感器造成一定的影响，从而制约了系统在非理想环境中的使用，而在某些特殊场合根本不允许或许很难安装传感器，因为传感器需要进行专门维护。除此之外，在系统设计的过程中还要考虑到抑制外界干扰对速度传感器所造成的影响，这样就进一步增加了系统的成本和复杂性。而无传感器技术可以有效的解决这些问题，其关键的因素就是位置转速信息的获得，如何借助所测量的电动机的电压和电流信号估计电动机的转速和位置，就是无传感器技术的关键因素。
获得电动机速度的方法主要有：基于电机模型的估计，基于控制理论的估计，调整模型进行速度辨识，利用齿谐波信号进行转速辨识，利用漏感脉动检测和饱和凸极检测。而获得转子位置信息的方法主要有基于转子凸极效应的估计和基于谐波信号的估计[11]。
3.2 矢量控制
3.2.1 概述
1971年，德国科学家Blaschke和Hasse提出了交流电动机的矢量理论，运用矢量控制可以使交流调速得到直流调速同样优良的控制性能。其基本思想是在普通的三相交流电动机上模拟直流电动机转矩控制的规律与方法，在磁场定向坐
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标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后对励磁电流分量和转矩电流分量进行调节。通过这种方法，交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机的转矩控制相类似了。因此矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置(频率和相位)的控制。虽然矢量控制的目的是能够提高转矩控制的性能，但最终实施仍然是落实到对定子电流的控制上。由于在定子侧的各个物理量，包括电压、电流、电动势、磁动势等，采用的都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和相对应的计算都不是很方便。因此，针对这一点，需要借助坐标变换，使得各个物理量从两相静止坐标系（α，β坐标系）转换到两相转子同步旋转坐标系（d，q坐标系），然后，从同步旋转坐标系上进行观察，电动机的各个空间矢量都变成了静止矢量，电流和电压都成了直流量，然后通过转矩公式，根据转矩和被控矢量的各个分量之间的数学关系，实时的计算出转矩控制所需要的被控矢量的各个分量值。按照这些分量值进行实时控制，就可以达到直流电动机的控制性能的目的[12，13]。
永磁同步电机的矢量控制方式：
电动机调速的关键是对其转矩的控制，矢量控制的实质是为了改善转矩控制的性能，而最终实施是落实到对定子电流的控制上。在系统参数不变的情况下，对电磁转矩的控制最终可以归结为对d, q轴电流的控制.对于给定的输出转矩，有多个d, q轴电流的控制组合，由此形成了永磁同步电机的电流控制策略。
（1）id?0的控制方法其最大的优点是电机的输出转矩与定子电流的幅值成正比，即实现了PMSM的解耦控制，其性能类似于直流电机，控制简单，且无去磁作用，因此得到了非常广泛的应用，尤其是对隐极式同步电机控制的系统。但使用该方法的电机功率因数较低，电机和逆变器的容量不能充分的利用；
（2）cos??1的控制方法其特点是电机的功率因数恒定为1，逆变器的容量得到了充分的利用，但该方法所能输出的最大转矩比较小；
（3）磁链恒定的控制方法其特点是电机的功率因数较高，电压基本是恒定的，转矩线性且可控，但需要较大的定子电流磁场分量来助磁；
（4）最优转矩控制，也称定子电流最小的控制，或称为最大转矩电流控制，是指在转矩给定的情况下，最优配置d, q轴的电流分量，使定子的电流最小，即单位电流下电机输出转矩最大的矢量控制方法。该方法可以减小电机的铜耗，提高运行效率，从而使整个系统的性能得到优化。此外，由于逆变器所需要输出的电流比较小，对逆变器容量的要求可相对的降低。
通过公式变换后，我们由公式（2-11）,（2-12），（2-13）可知，采用id?0基于矢量控制永磁同步电机模型的建立 14
的控制策略后，定子电流两个分量实现了解耦:当转子磁链?r恒定时，电磁转矩
Te与Iq成正比，能达到直流电动机的控制性能。因此，在本文中采用id?0的控制方法对永磁同步电机进行控制。 3.2.2 矢量控制图
图3-1永磁同步电机矢量控制系统结构框图
根据图3-1，可得永磁同步电机矢量控制的过程为:给定速度信号与检测到的速度信号相比较，经速度PI控制器的调节后，输出交轴电流分量作为电流PI调节器的给定信号直轴给定电流
Iqref,同时，经坐标变换后，定子反馈电流变为Id，Iq，控制
Iqref=0，与变换后得到的直轴电流1d相比较，经过PI调节器后输
出直轴电压Vd，给定交轴电流
Iqref与变换后的得到的交轴电流Iq比较，经过PI
调节器后输出交轴电压Vq，然后经过Park逆变换得到α，β轴电压。最后通过SVPWM模块输出六路控制信号驱动逆变器工作，输出可变幅值和频率的三相正弦电流输入电动机定子。
3.3 直接转矩控制
3.3.1 概述
直接转矩控制（Direct Torque Control，缩写为DTC）技术自从被提出以来，由于其诸多优点而引起人们一直的关注和研究。其传统应用领域主要是感应
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电机的交流调速，而在感应电机上的应用却是越来越得到肯定，现在人们也在逐渐尝试将它应用在无刷直流电动机和永磁同步电机的调速系统中。
直接转矩控制不通过控制电流、磁链等变量来间接控制电磁转矩，而是把转矩直接作为被控量来进行控制，将转子磁通定向更换为定子磁通定向。由于定子磁通定向只牵涉到定子电阻，因而对电机参数的依赖性大为减弱。在实现应用中，直接转矩控制取消旋转坐标变换，通过检测定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的定子磁链和电磁转矩，并根据与给定值比较所得的差值，实现电机磁链和转矩的直接控制[14,15]。 3.3.2 直接转矩控制图
在实际应用中，由于电机转矩和磁链的计算对控制系统性能影响很大，为了获得更好的转矩计算，应用了计算机仿真技术对控制系统进行了研究。图3-2给出了永磁同步电机直接转矩控制的系统结构原理图。
图3-2 永磁同步电机直接转矩控制框图
根据图3-2永磁同步电机直接转矩控制框图。控制系统的控制功能完全由DSP软件实现。速度给定信号ω*源于自动力总成系统，通过CAN总线实时对给定速度信号ω*与速度反馈信号ω进行比较，误差经过PI控制器调节后作为转矩给定信号。磁链给定由函数发生器根据速度给定计算得到。直接转矩控制中最重要的部分是磁链/转矩的预估，如图3-2右下所示，它是根据定子电流反馈值和直流母线电压值以及逆变器当前开关状态计算实现的。转矩偏差和定子磁链偏差经过两点式调节分别输出信号τ，φ它们与定子磁链位置θ一起共同决定下一个时刻的逆变器开关状态，即选择电压矢量。
3.4 本章小结
本章通过对有、无传感器控制系统的介绍，引出了有传感器控制的矢量控制
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和直接转矩控制以及无传感器控制的永磁同步电机的控制系统。由于不同的控制策略各有特点，且在不同的应用场合可取得不同的控制效果，所以需要根据不同场合进行选择，才能得到最好的控制效果。