CN104935232A - 永磁同步电机的直接转矩控制方法、控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的直接转矩控制方法，包括以下步骤：获取永磁同步电机的两相静止反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β，并估计定子磁链矢量根据定子磁链矢量计算定子磁链估计角度和转子速度并估计输出电磁转矩获取转子速度给定并进行速度环PI控制以获得电磁转矩给定对转矩偏差进行转矩环PI控制以获得负载角增量Δδ_s，并采用MTPA的控制模式以根据电磁转矩给定计算定子磁链幅值给定获取定子磁链角度的期望值并计算定子磁链矢量参考值和参考电压矢量SVM根据参考电压矢量生成调制信号以对永磁同步电机进行直接转矩控制。该控制方法能够实现最大转矩电流比控制，并具有很好的鲁棒性。本发明还公开了一种永磁同步电机控制系统。

Description

永磁同步电机的直接转矩控制方法、控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种永磁同步电机的直接转矩控制方法以及一种永磁同步电机控制系统。

背景技术

在永磁同步电机的无位置传感器控制中，相比于无传感器矢量控制方法，无位置传感器直接转矩控制方法具有以下优点：(1)直接对电磁转矩进行控制，转矩响应快；(2)无需开环启动过程，可直接进行闭环启动；(3)参数依赖性低，即无需使用电感参数和反电势系数，仅使用定子电阻的阻值。

在传统的无位置传感器直接转矩控制方法中，通常采用开关状态表以选择参考电压矢量，但是，剧烈的电压变化将造成过大的转矩脉动。

相关技术中，可以采用空间矢量调制的直接转矩控制方法，即采用SVM-DTC(Space Vector Modulation-Direct Torque Control，空间矢量调制-直接转矩控制)方法对永磁同步电机进行控制，该方法既可以固定开关频率，又可以获得较好的转矩磁链脉动抑制效果。但是，与之相关的控制方案并不成熟，而且存在一定的缺点，例如，只适用于表贴式永磁同步电机或者转矩与转速估计算法十分复杂，实用性差。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种永磁同步电机的直接转矩控制方法，能够实现最大转矩电流比控制，并具有很好的鲁棒性。

本发明的另一个目的在于提出一种永磁同步电机控制系统。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种永磁同步电机的直接转矩控制方法，包括以下步骤：获取所述永磁同步电机的两相静止反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β，并根据所述反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β估计所述永磁同步电机的定子磁链矢量根据所述定子磁链矢量采用锁相环的方式计算所述永磁同步电机的定子磁链估计角度和转子速度并根据所述定子磁链矢量和所述反馈电流i_α/i_β估计所述永磁同步电机的输出电磁转矩获取所述永磁同步电机的转子速度给定并根据所述转子速度给定和所述转子速度进行速度环PI(ProportionalIntegral，比例积分)控制以获得电磁转矩给定对所述电磁转矩给定和所述输出电磁转矩之间的转矩偏差进行转矩环PI控制以获得负载角增量Δδ_s，并采用MTPA(Maximum Torqueper Ampere，最大转矩电流比)的控制模式以根据所述电磁转矩给定计算所述永磁同步电机的定子磁链幅值给定将所述负载角增量Δδ_s叠加到所述定子磁链估计角度以获得定子磁链角度的期望值并根据所述定子磁链角度的期望值和所述定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值以及根据所述定子磁链矢量参考值所述定子磁链矢量所述反馈电流i_α/i_β和所述永磁同步电机的定子电阻R_s计算输出到SVM的参考电压矢量所述SVM根据所述参考电压矢量生成调制信号以对所述永磁同步电机进行直接转矩控制。

根据本发明实施例的永磁同步电机的直接转矩控制方法，首先获取永磁同步电机的两相静止反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β，并根据反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β估计永磁同步电机的定子磁链矢量然后根据定子磁链矢量采用锁相环的方式计算永磁同步电机的定子磁链估计角度和转子速度并根据定子磁链矢量和反馈电流i_α/i_β估计永磁同步电机的输出电磁转矩获取永磁同步电机的转子速度给定并根据转子速度给定和转子速度进行速度环PI控制以获得电磁转矩给定同时对电磁转矩给定和输出电磁转矩之间的转矩偏差进行转矩环PI控制以获得负载角增量Δδ_s，并采用MTPA的控制模式以根据电磁转矩给定计算永磁同步电机的定子磁链幅值给定最后将负载角增量Δδ_s叠加到定子磁链估计角度以获得定子磁链角度的期望值并根据定子磁链角度的期望值和定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值以及根据定子磁链矢量参考值定子磁链矢量反馈电流i_α/i_β和永磁同步电机的定子电阻R_s计算输出到SVM的参考电压矢量SVM根据参考电压矢量生成调制信号以对永磁同步电机进行直接转矩控制。因此，本发明实施例的永磁同步电机的直接转矩控制方法能够实现最大转矩电流比控制，并具有很好的鲁棒性，同时，该方法简单有效，既适用于表贴式永磁同步电机，也适用于内嵌式永磁同步电机。

根据本发明的一个实施例，所述根据所述定子磁链矢量采用锁相环的方式计算所述永磁同步电机的定子磁链估计角度和转子速度具体包括：根据所述定子磁链矢量和反馈回来的定子磁链估计角度计算误差信号对所述误差信号进行PI控制以获得定子磁链估计速度并根据所述定子磁链估计速度获得转子速度对所述定子磁链估计速度进行积分控制以获得所述定子磁链估计角度

根据本发明的一个实施例，所述根据所述电磁转矩给定计算所述永磁同步电机的定子磁链幅值给定具体包括：判断所述永磁同步电机的类型；如果所述永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，所述定子磁链幅值给定其中，L_d＝L_q＝L_s，L_d和L_q分别为所述永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，ψ_f为转子永磁体磁链，P为所述永磁同步电机的极数；如果所述永磁同步电机为内嵌式永磁同步电机，计算最大磁链幅值并计算所述MTPA的控制模式对应的磁链幅值以及取ψ₁和ψ₂中的较小值为所述定子磁链幅值给定其中，η＜1，η为最大磁链系数。

根据本发明的一个实施例，所述参考电压矢量根据以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}})/T_s+R_s{i}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}})/T_s+R_s{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

其中，T_s为采样周期。

根据本发明的另一个实施例，所述计算输出到SVM的参考电压矢量具体包括：根据所述定子磁链角度的期望值和所述定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}=\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\·\cos {\mathrm{\θ}}_s^{*}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}=\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\·\sin {\mathrm{\θ}}_s^{*}\end{array}\right.;$ 根据所述定子磁链矢量参考值和所述定子磁链矢量计算得到第一参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}1}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}})/T_s\\ v_{\mathrm{\β}1}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}})/T_s\end{array}\right.,$ 其中，T_s为采样周期；对所述第一参考电压矢量进行低通滤波处理以获得第二参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}2}^{*}=\mathrm{LPF}\left(v_{\mathrm{\α}1}^{*}\right)\\ v_{\mathrm{\β}2}^{*}=\mathrm{LPF}\left(v_{\mathrm{\β}1}^{*}\right)\end{array}\right.,$ 其中，进行低通滤波处理的低通滤波器的截止频率高于转矩环的截止频率；根据所述第二参考电压矢量、所述反馈电流i_α/i_β和所述定子电阻R_s计算得到所述参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}^{*}=v_{\mathrm{\α}2}^{*}+R_s{i}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}^{*}=v_{\mathrm{\β}2}^{*}+R_s{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right..$

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种永磁同步电机控制系统，包括：获取模块，用于获取所述永磁同步电机的两相静止反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β；定子磁链估计模块，用于根据所述反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β估计所述永磁同步电机的定子磁链矢量定子磁链角度与速度估计模块，用于根据所述定子磁链矢量采用锁相环的方式计算所述永磁同步电机的定子磁链估计角度和转子速度电磁转矩估计模块，用于根据所述定子磁链矢量和所述反馈电流i_α/i_β估计所述永磁同步电机的输出电磁转矩速度环PI控制器，用于根据获取的转子速度给定和所述转子速度进行速度环PI控制以获得电磁转矩给定转矩环PI控制器，用于对所述电磁转矩给定和所述输出电磁转矩之间的转矩偏差进行转矩环PI控制以获得负载角增量Δδ_s；定子磁链幅值给定模块，用于采用MTPA的控制模式以根据所述电磁转矩给定计算所述永磁同步电机的定子磁链幅值给定参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块，用于将所述负载角增量Δδ_s叠加到所述定子磁链估计角度以获得定子磁链角度的期望值并根据所述定子磁链角度的期望值和所述定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值以及根据所述定子磁链矢量参考值所述定子磁链矢量所述反馈电流i_α/i_β和所述永磁同步电机的定子电阻R_s计算参考电压矢量SVM，用于根据所述参考电压矢量生成调制信号以对所述永磁同步电机进行直接转矩控制。

根据本发明实施例的永磁同步电机控制系统，获取模块获取永磁同步电机的两相静止反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β，定子磁链估计模块根据反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β估计永磁同步电机的定子磁链矢量定子磁链角度与速度估计模块根据定子磁链矢量采用锁相环的方式计算永磁同步电机的定子磁链估计角度和转子速度电磁转矩估计模块根据定子磁链矢量和反馈电流i_α/i_β估计永磁同步电机的输出电磁转矩速度环PI控制器根据获取的转子速度给定和转子速度进行速度环PI控制以获得电磁转矩给定转矩环PI控制器对电磁转矩给定和输出电磁转矩之间的转矩偏差进行转矩环PI控制以获得负载角增量Δδ_s，定子磁链幅值给定模块采用MTPA的控制模式以根据电磁转矩给定计算永磁同步电机的定子磁链幅值给定参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块将负载角增量Δδ_s叠加到定子磁链估计角度以获得定子磁链角度的期望值并根据定子磁链角度的期望值和定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值以及根据定子磁链矢量参考值定子磁链矢量反馈电流i_α/i_β和永磁同步电机的定子电阻R_s计算参考电压矢量SVM根据参考电压矢量生成调制信号以对永磁同步电机进行直接转矩控制。因此，本发明实施例的永磁同步电机控制系统能够实现最大转矩电流比控制，并具有很好的鲁棒性，同时，该方法简单有效，既适用于表贴式永磁同步电机，也适用于内嵌式永磁同步电机。

根据本发明的一个实施例，所述定子磁链角度与速度估计模块具体包括：误差信号计算单元，用于根据所述定子磁链矢量和反馈回来的定子磁链估计角度计算误差信号PI控制单元，用于对所述误差信号进行PI控制以获得定子磁链估计速度转子速度获取单元，用于根据所述定子磁链估计速度获得转子速度积分控制单元，用于对所述定子磁链估计速度进行积分控制以获得所述定子磁链估计角度

根据本发明的一个实施例，所述定子磁链幅值给定模块进一步用于判断所述永磁同步电机的类型，其中，如果所述永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，所述定子磁链幅值给定模块计算所述定子磁链幅值给定其中，L_d＝L_q＝L_s，L_d和L_q分别为所述永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，ψ_f为转子永磁体磁链，P为所述永磁同步电机的极数；如果所述永磁同步电机为内嵌式永磁同步电机，所述定子磁链幅值给定模块计算最大磁链幅值并计算所述MTPA的控制模式对应的磁链幅值以及取ψ₁和ψ₂中的较小值为所述定子磁链幅值给定其中，η＜1，η为最大磁链系数。

根据本发明的一个实施例，所述参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块根据以下公式计算所述参考电压矢量

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}})/T_s+R_s{i}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}})/T_s+R_s{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

其中，T_s为采样周期。

根据本发明的另一个实施例，所述参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块具体包括：参考电子磁链矢量计算单元，用于根据所述定子磁链角度的期望值和所述定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}=\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\·\cos {\mathrm{\θ}}_s^{*}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}=\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\·\sin {\mathrm{\θ}}_s^{*}\end{array}\right.;$ 第一电压计算单元，用于根据所述定子磁链矢量参考值和所述定子磁链矢量计算得到第一参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}1}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}})/T_s\\ v_{\mathrm{\β}1}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}})/T_s\end{array}\right.,$ 其中，T_s为采样周期；低通滤波单元，用于对所述第一参考电压矢量进行低通滤波处理以获得第二参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}2}^{*}=\mathrm{LPF}\left(v_{\mathrm{\α}1}^{*}\right)\\ v_{\mathrm{\β}2}^{*}=\mathrm{LPF}\left(v_{\mathrm{\β}1}^{*}\right)\end{array}\right.,$ 其中，进行低通滤波处理的低通滤波器的截止频率高于转矩环的截止频率；第二电压计算单元，用于根据所述第二参考电压矢量、所述反馈电流i_α/i_β和所述定子电阻R_s计算得到所述参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}^{*}=v_{\mathrm{\α}2}^{*}+R_s{i}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}^{*}=v_{\mathrm{\β}2}^{*}+R_s{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right..$

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的永磁同步电机的直接转矩控制方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的基于SVM-DTC的永磁同步电机的矢量关系图；

图3为根据本发明一个实施例的基于SVM-DTC的永磁同步电机的矢量控制系统；

图4为根据本发明一个实施例的定子磁链角度与速度估计方法的示意图；

图5为根据本发明一个实施例的定子磁链幅值给定的获取流程图；

图6为根据本发明一个实施例的参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算方法的示意图；

图7为根据本发明一个实施例的永磁同步电机控制系统的方框示意图；

图8为根据本发明一个实施例的定子磁链角度与速度估计模块的方框示意图；以及

图9为根据本发明一个实施例的参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块的方框示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的永磁同步电机的直接转矩控制方法以及永磁同步电机控制系统。

图1为根据本发明实施例的永磁同步电机的直接转矩控制方法的流程图。如图1所示，该永磁同步电机的直接转矩控制方法包括以下步骤：

S1，获取永磁同步电机的两相静止反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β，并根据反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β估计永磁同步电机的定子磁链矢量

具体地，假设L_d和L_q分别为永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，其中，表贴式永磁同步电机有L_d＝L_q＝L_s，而内嵌式永磁同步电机有L_d＜L_q，则基于SVM-DTC的永磁同步电机中各矢量之间的关系如图2所示，其中，i_d和i_q分别为永磁同步电机的直轴电流和交轴电流，ψ_f和ψ_s分别为转子永磁体磁链和定子磁链，θ_r、θ_s和δ_s分别为转子磁链电角度、定子磁链电角度和负载角，ω_r和ω_s分别为转子实际速度和定子磁链实际速度，i_s为定子电流，T_e为永磁同步电机的电磁转矩。

如图3所示，基于SVM-DTC的永磁同步电机的矢量控制系统包括定子磁链估计模块、定子磁链角度与速度估计模块、电磁转矩估计模块、速度环PI控制器、转矩环PI控制器、定子磁链幅值给定模块以及参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块。

在不考虑死区损耗、功率模块管压降等的条件下，可以将反馈电压v_α/v_β(经SVM调制输出到永磁同步电机的电压)近似为参考电压矢量(经DTC控制算法输出的电压)，因此，定子磁链估计模块可以根据反馈电流i_α/i_β和参考电压矢量估计永磁同步电机的定子磁链矢量例如，可以通过下述公式(1)估计永磁同步电机的定子磁链矢量

$\left\{\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}={\∫}_0^t(v_{\mathrm{\α}}^{*}-R_s{i}_{\mathrm{\α}})\mathrm{dt}+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}0}\\ {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}={\∫}_0^t(v_{\mathrm{\β}}^{*}-R_s{i}_{\mathrm{\β}})\mathrm{dt}+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}0}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，R_s为定子电阻，为定子磁链矢量的初始值，特别地，当转子位置在图2所示的α轴方向时，

S2，根据定子磁链矢量采用锁相环的方式计算永磁同步电机的定子磁链估计角度和转子速度并根据定子磁链矢量和反馈电流i_α/i_β估计永磁同步电机的输出电磁转矩

根据本发明的一个实施例，根据定子磁链矢量采用锁相环的方式计算永磁同步电机的定子磁链估计角度和转子速度具体包括：根据定子磁链矢量和反馈回来的定子磁链估计角度计算误差信号对误差信号进行PI控制以获得定子磁链估计速度并根据定子磁链估计速度获得转子速度对定子磁链估计速度进行积分控制以获得定子磁链估计角度

具体地，如图4所示，定子磁链角度与速度估计模块首先根据定子磁链矢量和上一控制周期获得的定子磁链估计角度计算误差信号计算的误差信号err经过PI控制器调节后得到定子磁链估计速度由于定子磁链估计速度与转子速度近似相等，因此，可以得到转子速度即同时，定子磁链估计速度经积分器调节后得到该控制周期的定子磁链估计角度由于采用锁相环方式计算永磁同步电机的定子磁链估计角度因此，能够有效减小由于定子磁链波动引起的定子磁链估计角度的波动。

同时，如图3所示，电磁转矩估计模块根据定子磁链矢量和反馈电流i_α/i_β估计输出电磁转矩例如，可以通过下述公式(2)估计输出电磁转矩

${\hat{T}}_e=\frac{3}{2}\×\frac{P}{2}\×({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}})---\left(2\right)$

其中，P为永磁同步电机的极数。

S3，获取永磁同步电机的转子速度给定并根据转子速度给定和转子速度进行速度环PI控制以获得电磁转矩给定

具体而言，如图3所示，转速环PI控制器对获取的转子速度给定和转子速度 之间的偏差进行比例积分控制后，得到电磁转矩给定

S4，对电磁转矩给定和输出电磁转矩之间的转矩偏差进行转矩环PI控制以获得负载角增量Δδ_s，并采用MTPA的控制模式以根据电磁转矩给定计算永磁同步电机的定子磁链幅值给定

根据本发明的一个实施例，根据电磁转矩给定计算永磁同步电机的定子磁链幅值给定具体包括：判断永磁同步电机的类型；如果永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，定子磁链幅值给定其中，L_d＝L_q＝L_s，L_d和L_q分别为永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，ψ_f为转子永磁体磁链，P为永磁同步电机的极数；如果永磁同步电机为内嵌式永磁同步电机，计算最大磁链幅值并计算MTPA的控制模式对应的磁链幅值以及取ψ₁和ψ₂中的较小值为定子磁链幅值给定其中，η＜1，η为最大磁链系数。

具体地，如图3所示，转矩环PI控制器对速度PI控制器输出的电磁转矩给定和电磁转矩估计模块输出的输出电磁转矩之间的偏差进行比例积分控制后，得到负载角增量Δδ_s。同时，定子磁链幅值给定模块采用MTPA控制模式，并根据电磁转矩给定计算定子磁链幅值给定

需要说明的是，在计算定子磁链幅值给定时，还需满足电磁转矩-负载角正相关关系的要求。具体而言，如图5所示，对于表贴式永磁同步电机，由于表贴式永磁同步电机的直流电感和交轴电感满足L_d＝L_q，则表贴式永磁同步电机的电磁转矩满足下述公式(3)：

$T_e=\frac{3P}{4L_s}\·\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|\·{\mathrm{\ψ}}_f\·\sin {\mathrm{\δ}}_s---\left(3\right)$

其中，|ψ_s|为定子磁链幅值。

从上述公式(3)可知，无论定子磁链幅值给定取何值，均能满足永磁同步电机的电磁转矩T_e与负载角δ_s∈[-π/2,π/2]之间的单调递增关系。但是，考虑到采用MTPA控制模式，最终定子磁链幅值给定需满足下述公式(4)：

$\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_f^2+{\left(\frac{4L_s\·T_e^{*}}{3P\·{\mathrm{\ψ}}_f}\right)}^2}---\left(4\right)$

而对于内嵌式永磁同步电机，由于内嵌式永磁同步电机的直流电感和交轴电感满足L_d＜L_q，因此，内嵌式永磁同步电机的电磁转矩满足下述公式(5)：

$T_e=\frac{3P\·\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|}{8L_d{L}_q}\·[2{\mathrm{\ψ}}_f{L}_q\·\sin {\mathrm{\δ}}_s+|{\mathrm{\ψ}}_s|(L_d-L_q)\·\sin 2{\mathrm{\δ}}_s]---\left(5\right)$

通过对上述公式(5)分析可知，只有当定子磁链幅值给定满足才能保证电磁转矩T_e与负载角δ_s∈[-π/2,π/2]之间的单调递增关系，特别地，令η(η＜1)为最大磁链系数，则定子磁链幅值给定必须满足其中，η可取为0.95。

另外，考虑到采用MTPA控制模式，定子磁链幅值给定还需满足MTPA控制的要求，即根据ψ_d＝ψ_f+Li_d、ψ_q＝L_qi_q、 在满足电压幅值和电流幅值约束的条件下，获取MTPA控制模式下对应的曲线(表格形式)，然后通过获取的MTPA控制模式下的曲线查表得到定子磁链幅值|ψ_s|。

最后，令 则内嵌式永磁同步电机的定子磁链幅值给定为ψ₁和ψ₂的较小值，即

S5，将负载角增量Δδ_s叠加到定子磁链估计角度以获得定子磁链角度的期望值并根据定子磁链角度的期望值和定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值以及根据定子磁链矢量参考值定子磁链矢量反馈电流i_α/i_β和永磁同步电机的定子电阻R_s计算输出到空间矢量调制器SVM的参考电压矢量

根据本发明的一个实施例，参考电压矢量可以根据以下公式(6)进行计算：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}})/T_s+R_s{i}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}})/T_s+R_s{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，T_s为采样周期。

根据本发明的另一个实施例，计算输出到SVM的参考电压矢量具体包括：根据定子磁链角度的期望值和定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}=\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\·\cos {\mathrm{\θ}}_s^{*}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}=\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\·\sin {\mathrm{\θ}}_s^{*}\end{array}\right.;$ 根据定子磁链矢量参考值和定子磁链矢量计算得到第一参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}1}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}})/T_s\\ v_{\mathrm{\β}1}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}})/T_s\end{array}\right.,$ 其中，T_s为采样周期；对第一参考电压矢量进行低通滤波处理以获得第二参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}2}^{*}=\mathrm{LPF}\left(v_{\mathrm{\α}1}^{*}\right)\\ v_{\mathrm{\β}2}^{*}=\mathrm{LPF}\left(v_{\mathrm{\β}1}^{*}\right)\end{array}\right.,$ 其中，进行低通滤波处理的低通滤波器的截止频率高于转矩环的截止频率；根据第二参考电压矢量、反馈电流i_α/i_β和定子电阻R_s计算得到参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}^{*}=v_{\mathrm{\α}2}^{*}+R_s{i}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}^{*}=v_{\mathrm{\β}2}^{*}+R_s{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right..$

具体地，如图3所示，首先根据负载角增量Δδ_s和定子磁链估计角度计算定子磁链角度的期望值然后，参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块根据定子磁链幅值给定和定子磁链角度期望值计算定子磁链矢量参考值以下述公式(7)进行表示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}=\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\·\cos {\mathrm{\θ}}_s^{*}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}=\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\·\sin {\mathrm{\θ}}_s^{*}\end{array}\right.---\left(7\right)$

并根据计算的定子磁链矢量参考值和定子磁链矢量以及反馈电流i_α/i_β和定子电阻R_s，计算参考电压矢量例如，根据本发明的一个实施例，可以通过上述公式(6)获得参考电压矢量

而在本发明的另一个实施例中，可以通过增加LPF(Low Pass Filter，低通滤波器)以削弱定子磁链微分造成的电压波动，并且增加的LPF并不影响转矩响应速度，从而提高闭环系统的鲁棒性。具体而言，如图6所示，参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块根据获取的定子磁链矢量参考值和定子磁链矢量计算第一参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}1}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}})/T_s\\ v_{\mathrm{\β}1}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}})/T_s\end{array}\right.,$ 然后对第一参考电压矢量进行低通滤波处理以获得第二参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}2}^{*}=\mathrm{LPF}\left(v_{\mathrm{\α}1}^{*}\right)\\ v_{\mathrm{\β}2}^{*}=\mathrm{LPF}\left(v_{\mathrm{\β}1}^{*}\right)\end{array}\right.,$ 最后根据第二参考电压矢量反馈电流i_α/i_β和定子电阻R_s计算参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}^{*}=v_{\mathrm{\α}2}^{*}+R_s{i}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}^{*}=v_{\mathrm{\β}2}^{*}+R_s{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.,$ 其中，LPF的截止频率高于转矩环的截止频率，例如，转矩环的截止频率为300Hz，直接转矩控制频率为6kHz，则LPF的截止频率可以设置为1kHz。

S6，SVM根据参考电压矢量生成调制信号以对永磁同步电机进行直接转矩控制。

综上所述，根据本发明实施例的永磁同步电机的直接转矩控制方法，首先获取永磁同步电机的两相静止反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β，并根据反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β估计永磁同步电机的定子磁链矢量然后根据定子磁链矢量采用锁相环的方式计算永磁同步电机的定子磁链估计角度和转子速度并根据定子磁链矢量和反馈电流i_α/i_β估计永磁同步电机的输出电磁转矩获取永磁同步电机的转子速度给定并根据转子速度给定和转子速度进行速度环PI控制以获得电磁转矩给定同时对电磁转矩给定和输出电磁转矩之间的转矩偏差进行转矩环PI控制以获得负载角增量Δδ_s，并采用MTPA的控制模式以根据电磁转矩给定计算永磁同步电机的定子磁链幅值给定最后将负载角增量Δδ_s叠加到定子磁链估计角度以获得定子磁链角度的期望值并根据定子磁链角度的期望值和定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值以及根据定子磁链矢量参考值定子磁链矢量反馈电流i_α/i_β和永磁同步电机的定子电阻R_s计算输出到SVM的参考电压矢量SVM根据参考电压矢量生成调制信号以对永磁同步电机进行直接转矩控制。因此，本发明实施例的永磁同步电机的直接转矩控制方法能够实现最大转矩电流比控制，并具有很好的鲁棒性，同时，该方法简单有效，既适用于表贴式永磁同步电机，也适用于内嵌式永磁同步电机。

图7为根据本发明一个实施例的永磁同步电机控制系统的方框示意图。如图7所示，该永磁同步电机控制系统包括获取模块、定子磁链估计模块10、定子磁链角度与速度估计模块20、电磁转矩估计模块30、速度环PI控制器40、转矩环PI控制器50、定子磁链幅值给定模块60、参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块70以及SVM。

其中，获取模块用于获取永磁同步电机的两相静止反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β。定子磁链估计模块10用于根据反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β估计永磁同步电机的定子磁链矢量定子磁链角度与速度估计模块20用于根据定子磁链矢量采用锁相环的方式计算永磁同步电机的定子磁链估计角度和转子速度电磁转矩估计模块30用于根据定子磁链矢量和反馈电流i_α/i_β估计永磁同步电机的输出电磁转矩速度环PI控制器40用于根据获取的转子速度给定和转子速度进行速度环PI控制以获得电磁转矩给定转矩环PI控制器50用于对电磁转矩给定和输出电磁转矩之间的转矩偏差进行转矩环PI控制以获得负载角增量Δδ_s。定子磁链幅值给定模块60用于采用MTPA的控制模式以根据电磁转矩给定计算永磁同步电机的定子磁链幅值给定参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块70用于将负载角增量Δδ_s叠加到定子磁链估计角度以获得定子磁链角度的期望值并根据定子磁链角度的期望值和定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值以及根据定子磁链矢量参考值定子磁链矢量反馈电流i_α/i_β和永磁同步电机的定子电阻R_s计算参考电压矢量SVM用于根据参考电压矢量生成调制信号以对永磁同步电机进行直接转矩控制。

具体地，假设L_d和L_q分别为永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，其中，表贴式永磁同步电机有L_d＝L_q＝L_s，而内嵌式永磁同步电机有L_d＜L_q，则基于SVM-DTC的永磁同步电机中各矢量之间的关系如图2所示，其中，i_d和i_q分别为永磁同步电机的直轴电流和交轴电流，ψ_f和ψ_s分别为转子永磁体磁链和定子磁链，θ_r、θ_s和δ_s分别为转子磁链电角度、定子磁链电角度和负载角，ω_r和ω_s分别为转子实际速度和定子磁链实际速度，i_s为定子电流，T_e为永磁同步电机的电磁转矩。

如图7所示，在不考虑死区损耗、功率模块管压降等的条件下，可以将反馈电压v_α/v_β(经SVM调制输出到永磁同步电机的电压)近似为参考电压矢量(经DTC控制算法输出的电压)，定子磁链估计模块10可以根据反馈电流i_α/i_β和参考电压矢量估计永磁同步电机的定子磁链矢量例如，可以通过上述公式(1)估计永磁同步电机的定子磁链矢量

根据本发明的一个实施例，如图8所示，定子磁链角度与速度估计模块20具体包括误差信号计算单元21、PI控制单元22、转子速度获取单元23和积分控制单元24，其中，误差信号计算单元21用于根据定子磁链矢量和反馈回来的定子磁链估计角度计算误差信号PI控制单元22用于对误差信号进行PI控制以获得定子磁链估计速度转子速度获取单元23用于根据定子磁链估计速度获得转子速度积分控制单元24用于对定子磁链估计速度进行积分控制以获得定子磁链估计角度

具体地，如图8所示，首先定子磁链角度与速度估计模块20中的误差信号计算单元21根据定子磁链矢量和上一控制周期获得的定子磁链估计角度计算误差信号计算的误差信号err经过PI控制单元22进行比例积分控制后得到定子磁链估计速度由于定子磁链估计速度与转子速度近似相等，因此，转子速度获取单元23获得的转子速度同时，定子磁链估计速度经积分控制单元24进行积分控制后得到该控制周期的定子磁链估计角度由于定子磁链角度与速度估计模块20采用锁相环方式计算永磁同步电机的定子磁链估计角度因此，能够有效减小由于定子磁链波动引起的定子磁链估计角度的波动。

同时，如图7所示，电磁转矩估计模块30根据定子磁链矢量和反馈电流i_α/i_β估计输出电磁转矩例如，可以通过上述公式(2)估计输出电磁转矩转速环PI控制器40根据转子速度给定和转子速度之间的偏差进行比例积分控制后，得到电磁转矩给定

根据本发明的一个实施例，定子磁链幅值给定模块60进一步用于判断永磁同步电机的类型，其中，如果永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，定子磁链幅值给定模块60计算定子磁链幅值给定其中，L_d＝L_q＝L_s，L_d和L_q分别为永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，ψ_f为转子永磁体磁链，P为永磁同步电机的极数；如果永磁同步电机为内嵌式永磁同步电机，定子磁链幅值给定模块60计算最大磁链幅值并计算MTPA的控制模式对应的磁链幅值以及取ψ₁和ψ₂中的较小值为定子磁链幅值给定其中，η＜1，η为最大磁链系数。

具体地，如图7所示，转矩环PI控制器50对速度PI控制器40输出的电磁转矩给定和电磁转矩估计模块30输出的输出电磁转矩之间的偏差进行比例积分控制后，得到负载角增量Δδ_s。同时，定子磁链幅值给定模块60采用MTPA控制模式，并根据电磁转矩给定计算定子磁链幅值给定

需要说明的是，在定子磁链幅值给定模块60计算定子磁链幅值给定时，还需满足电磁转矩-负载角正相关关系的要求。具体而言，如图5所示，对于表贴式永磁同步电机，由于表贴式永磁同步电机的直流电感和交轴电感满足L_d＝L_q，则表贴式永磁同步电机的电磁转矩满足上述公式(3)。从上述公式(3)可知，无论定子磁链幅值给定取何值，均能满足永磁同步电机的电磁转矩T_e与负载角δ_s∈[-π/2,π/2]之间的单调递增关系。但是，考虑到采用MTPA控制模式，最终定子磁链幅值给定需满足上述公式(4)。

而对于内嵌式永磁同步电机，由于内嵌式永磁同步电机的直流电感和交轴电感满足L_d＜L_q，因此，内嵌式永磁同步电机的电磁转矩满足上述公式(5)。通过对上述公式(5)分析可知，只有当定子磁链幅值给定满足才能保证电磁转矩T_e与负载角δ_s∈[-π/2,π/2]之间的单调递增关系，特别地，令η(η＜1)为最大磁链系数，则定子磁链幅值给定必须满足其中，η可取为0.95。

另外，考虑到采用MTPA控制模式，定子磁链幅值给定还需满足MTPA控制的要求，即根据ψ_d＝ψ_f+L_di_d、ψ_q＝L_qi_q、 在满足电压幅值和电流幅值约束的条件下，获取MTPA控制模式下对应的曲线(表格形式)，然后通过获取的MTPA控制模式下的曲线查表得到定子磁链幅值|ψ_s|。

最后，令则内嵌式永磁同步电机的定子磁链幅值给定为ψ₁和ψ₂的较小值，即

根据本发明的一个实施例，参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块70根据上述公式(6)计算参考电压矢量

根据本发明的另一个实施例，如图9所示，参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块70具体包括参考电子磁链矢量计算单元71、第一电压计算单元72、低通滤波单元73和第二电压计算单元74，其中，参考电子磁链矢量计算单元71用于根据定子磁链角度的期望值和定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}=\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\·\cos {\mathrm{\θ}}_s^{*}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}=\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\·\sin {\mathrm{\θ}}_s^{*}\end{array}\right.;$ 第一电压计算单元72用于根据定子磁链矢量参考值和定子磁链矢量计算得到第一参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}1}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}})/T_s\\ v_{\mathrm{\β}1}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}})/T_s\end{array}\right.,$ 其中，T_s为采样周期，低通滤波单元73用于对第一参考电压矢量进行低通滤波处理以获得第二参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}2}^{*}=\mathrm{LPF}\left(v_{\mathrm{\α}1}^{*}\right)\\ v_{\mathrm{\β}2}^{*}=\mathrm{LPF}\left(v_{\mathrm{\β}1}^{*}\right)\end{array}\right.,$ 其中，进行低通滤波处理的低通滤波器73的截止频率高于转矩环的截止频率，第二电压计算单元74用于根据第二参考电压矢量、反馈电流i_α/i_β和定子电阻R_s计算得到参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}^{*}=v_{\mathrm{\α}2}^{*}+R_s{i}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}^{*}=v_{\mathrm{\β}2}^{*}+R_s{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right..$

具体地，如图7所示，首先根据负载角增量Δδ_s和定子磁链估计角度计算定子磁链角度的期望值然后参考电子磁链矢量与参考电压矢量计算模块70根据定子磁链幅值给定和定子磁链角度期望值计算定子磁链矢量参考值以上述公式(7)进行表示，并根据计算的定子磁链矢量参考值和定子磁链矢量以及反馈电流i_α/i_β和定子电阻R_s，计算参考电压矢量例如，根据本发明的一个实施例，可以通过上述公式(6)获得参考电压矢量

而在本发明的另一个实施例中，可以通过增加LPF以削弱定子磁链微分造成的电压波动，并且增加的LPF并不影响转矩响应速度，从而提高闭环系统的鲁棒性。具体而言，如图9所示，第一电压计算单元72根据参考电子磁链矢量计算单元71计算的定子磁链矢量参考值和定子磁链估计模块10计算的定子磁链矢量计算第一参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}1}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}})/T_s\\ v_{\mathrm{\β}1}^{*}=({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{*}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}})/T_s\end{array}\right.,$ 然后低通滤波器73对第一参考电压矢量进行低通滤波处理以获得第二参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}2}^{*}=\mathrm{LPF}\left(v_{\mathrm{\α}1}^{*}\right)\\ v_{\mathrm{\β}2}^{*}=\mathrm{LPF}\left(v_{\mathrm{\β}1}^{*}\right)\end{array}\right.,$ 最后，第二电压计算单元74根据第二参考电压矢量反馈电流i_α/i_β和定子电阻R_s计算参考电压矢量 $\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}^{*}=v_{\mathrm{\α}2}^{*}+R_s{i}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}^{*}=v_{\mathrm{\β}2}^{*}+R_s{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right..$ 其中，LPF的截止频率高于转矩环的截止频率，例如，转矩环的截止频率为300Hz，直接转矩控制频率为6kHz，则LPF的截止频率可以设置为1kHz。SVM根据计算的参考电压矢量生成调制信号以对永磁同步电机进行直接转矩控制。

根据本发明实施例的永磁同步电机控制系统，获取模块获取永磁同步电机的两相静止反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β，定子磁链估计模块根据反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β估计永磁同步电机的定子磁链矢量定子磁链角度与速度估计模块根据定子磁链矢量采用锁相环的方式计算永磁同步电机的定子磁链估计角度和转子速度电磁转矩估计模块根据定子磁链矢量和反馈电流i_α/i_β估计永磁同步电机的输出电磁转矩速度环PI控制器根据获取的转子速度给定和转子速度进行速度环PI控制以获得电磁转矩给定转矩环PI控制器对电磁转矩给定和输出电磁转矩之间的转矩偏差进行转矩环PI控制以获得负载角增量Δδ_s，定子磁链幅值给定模块采用MTPA的控制模式以根据电磁转矩给定计算永磁同步电机的定子磁链幅值给定参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块将负载角增量Δδ_s叠加到定子磁链估计角度以获得定子磁链角度的期望值并根据定子磁链角度的期望值和定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值以及根据定子磁链矢量参考值定子磁链矢量反馈电流i_α/i_β和永磁同步电机的定子电阻R_s计算参考电压矢量SVM根据参考电压矢量生成调制信号以对永磁同步电机进行直接转矩控制。因此，本发明实施例的永磁同步电机控制系统能够实现最大转矩电流比控制，并具有很好的鲁棒性，同时，该方法简单有效，既适用于表贴式永磁同步电机，也适用于内嵌式永磁同步电机。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机的直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取所述永磁同步电机的两相静止反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β，并根据所述反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β估计所述永磁同步电机的定子磁链矢量

根据所述定子磁链矢量采用锁相环的方式计算所述永磁同步电机的定子磁链估计角度和转子速度并根据所述定子磁链矢量和所述反馈电流i_α/i_β估计所述永磁同步电机的输出电磁转矩

获取所述永磁同步电机的转子速度给定并根据所述转子速度给定和所述转子速度进行速度环PI控制以获得电磁转矩给定

对所述电磁转矩给定和所述输出电磁转矩之间的转矩偏差进行转矩环PI控制以获得负载角增量Δδ_s，并采用最大转矩电流比MTPA的控制模式以根据所述电磁转矩给定计算所述永磁同步电机的定子磁链幅值给定

将所述负载角增量Δδ_s叠加到所述定子磁链估计角度以获得定子磁链角度的期望值并根据所述定子磁链角度的期望值和所述定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值以及根据所述定子磁链矢量参考值所述定子磁链矢量所述反馈电流i_α/i_β和所述永磁同步电机的定子电阻R_s计算输出到空间矢量调制器SVM的参考电压矢量

所述SVM根据所述参考电压矢量生成调制信号以对所述永磁同步电机进行直接转矩控制。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机的直接转矩控制方法，其特征在于，所述根据所述定子磁链矢量采用锁相环的方式计算所述永磁同步电机的定子磁链估计角度和转子速度具体包括：

根据所述定子磁链矢量和反馈回来的定子磁链估计角度计算误差信号 

对所述误差信号进行PI控制以获得定子磁链估计速度并根据所述定子磁链估计速度获得转子速度

对所述定子磁链估计速度进行积分控制以获得所述定子磁链估计角度

3.如权利要求1所述的永磁同步电机的直接转矩控制方法，其特征在于，所述根据所述电磁转矩给定计算所述永磁同步电机的定子磁链幅值给定具体包括：

判断所述永磁同步电机的类型；

如果所述永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，所述定子磁链幅值给定 其中，L_d＝L_q＝L_s，L_d和L_q分别为所述永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，ψ_f为转子永磁体磁链，P为所述永磁同步电机的极数；

如果所述永磁同步电机为内嵌式永磁同步电机，计算最大磁链幅值 并计算所述MTPA的控制模式对应的磁链幅值 以及取ψ₁和ψ₂中的较小值为所述定子磁链幅值给定其中，η＜1，η为最大磁链系数。

4.如权利要求1所述的永磁同步电机的直接转矩控制方法，其特征在于，所述参考电压矢量根据以下公式计算：

其中，T_s为采样周期。

5.如权利要求1所述的永磁同步电机的直接转矩控制方法，其特征在于，所述计算输出到空间矢量调制器SVM的参考电压矢量具体包括：

根据所述定子磁链角度的期望值和所述定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值

根据所述定子磁链矢量参考值和所述定子磁链矢量计算得到第一参考电压矢量其中，T_s为采样周期；

对所述第一参考电压矢量进行低通滤波处理以获得第二参考电压矢量 其中，进行低通滤波处理的低通滤波器的截止频率高于转矩环的截止频率；

根据所述第二参考电压矢量、所述反馈电流i_α/i_β和所述定子电阻R_s计算得到所述参考电压矢量

6.一种永磁同步电机控制系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取所述永磁同步电机的两相静止反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β；

定子磁链估计模块，用于根据所述反馈电流i_α/i_β和反馈电压v_α/v_β估计所述永磁同步电机的定子磁链矢量

定子磁链角度与速度估计模块，用于根据所述定子磁链矢量采用锁相环的方式计算所述永磁同步电机的定子磁链估计角度和转子速度

电磁转矩估计模块，用于根据所述定子磁链矢量和所述反馈电流i_α/i_β估计所述永磁同步电机的输出电磁转矩

速度环PI控制器，用于根据获取的转子速度给定和所述转子速度进行速度环PI控制以获得电磁转矩给定

转矩环PI控制器，用于对所述电磁转矩给定和所述输出电磁转矩之间的转矩偏差进行转矩环PI控制以获得负载角增量Δδ_s；

定子磁链幅值给定模块，用于采用最大转矩电流比MTPA的控制模式以根据所述电磁转矩给定计算所述永磁同步电机的定子磁链幅值给定

参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块，用于将所述负载角增量Δδ_s叠加到所述定子磁链估计角度以获得定子磁链角度的期望值并根据所述定子磁链角度的期望值和所述定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值以及根据所述定子磁链矢量参考值所述定子磁链矢量所述反馈电流i_α/i_β和所述永磁同步电机的定子电阻R_s计算参考电压矢量

空间矢量调制器SVM，用于根据所述参考电压矢量生成调制信号以对所述 永磁同步电机进行直接转矩控制。

7.如权利要求6所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述定子磁链角度与速度估计模块具体包括：

误差信号计算单元，用于根据所述定子磁链矢量和反馈回来的定子磁链估计角度计算误差信号

PI控制单元，用于对所述误差信号进行PI控制以获得定子磁链估计速度

转子速度获取单元，用于根据所述定子磁链估计速度获得转子速度

积分控制单元，用于对所述定子磁链估计速度进行积分控制以获得所述定子磁链估计角度

8.如权利要求6所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述定子磁链幅值给定模块进一步用于判断所述永磁同步电机的类型，其中，

如果所述永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，所述定子磁链幅值给定模块计算所述定子磁链幅值给定其中，L_d＝L_q＝L_s，L_d和L_q分别为所述永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，ψ_f为转子永磁体磁链，P为所述永磁同步电机的极数；

如果所述永磁同步电机为内嵌式永磁同步电机，所述定子磁链幅值给定模块计算最大磁链幅值并计算所述MTPA的控制模式对应的磁链幅值 以及取ψ₁和ψ₂中的较小值为所述定子磁链幅值给定其中，η＜1，η为最大磁链系数。

9.如权利要求6所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块根据以下公式计算所述参考电压矢量

其中，T_s为采样周期。

10.如权利要求6所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述参考定子磁链矢量与参考电压矢量计算模块具体包括：

参考电子磁链矢量计算单元，用于根据所述定子磁链角度的期望值和所述定子磁链幅值给定计算得到定子磁链矢量参考值

第一电压计算单元，用于根据所述定子磁链矢量参考值和所述定子磁链矢量计算得到第一参考电压矢量其中，T_s为采样周期；

低通滤波单元，用于对所述第一参考电压矢量进行低通滤波处理以获得第二参考电压矢量其中，进行低通滤波处理的低通滤波器的截止频率高于转矩环的截止频率；

第二电压计算单元，用于根据所述第二参考电压矢量、所述反馈电流i_α/i_β和所述定子电阻R_s计算得到所述参考电压矢量