CN108418499A - 内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器及构造法 - Google Patents

内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器及构造法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器，包括永磁同步电机节能变频控制器和永磁同步电机功率变换器，通过建立转子磁场定向坐标系下的计及铁芯损耗的内置式永磁同步电机等效电路模型，给出电机输出转矩和转速一定时的运行效率极大、功耗极小的定子磁链求解方法，构造最优定子磁链计算模块，将最优定子磁链计算模块置入直接转矩控制驱动系统，实现对内置式永磁同步电机的高效率和快响应控制。优点：1）明显地减小电机轻载运行的功率损耗，提高电机驱动系统在全调速范围内的综合性能。结构简单，运行可靠，成本低廉；2)适合经常处于轻载运行状态或负载频繁变化的永磁同步电机驱动应用场合。

Description

内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器及构造法
技术领域
本发明是一种内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器及构造方法，属于电力传动控制设备的技术领域。
背景技术
内置式永磁同步电机(IPMSM)具有功率密度大、功率因数高、损耗小、运行噪声低和工作可靠等优点，在高性能电机调速系统中得到广泛的应用。对于高性能的电机调速系统，电机的运行效率是一个重要的性能指标。为提高电机运行效率，除了对电机本体进行优化设计，针对电机不同的运行工况，采用效率优化控制技术是提高电机运行效率的有效方法。永磁同步电机在额定工作点附近运行时效率较高，但在轻载时，电机的运行效率会明显下降。即现有的永磁同步电机变频驱动系统在能量转换效率方面并不是最优的，电机在轻载时的低效率，造成了电能的极大浪费。特别是在一些由有限能源供电和负载频繁变化的应用领域，如电动汽车、空间电力驱动装置和船舰驱动系统等，低效率的电机运行方式，将直接影响系统的整体性能。因此，研究高性能永磁同步电机驱动系统的节能运行模式，提高电机运行的效率，是一个很有意义和急待解决的问题。
发明内容
本发明提出的是一种内置式永磁同步电机直接转矩控制驱动系统的节能变频器及构造方法，其目的在于克服现有永磁同步电机驱动控制技术所存在的不能兼顾高性能与高效率的缺陷，通过构造最优定子磁链计算模块，并置入直接转矩控制驱动系统，提高内置式永磁同步电机运行效率和控制响应速度。
本发明的技术解决方案：内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器，包括永磁同步电机节能变频控制器19、永磁同步电机功率变换器20，其中，永磁同步电机节能变频控制器19中的开关逻辑表13的第一、第二、第三输出端与永磁同步电机功率变换器20中的三相IGBT逆变器4的第三、第四、第五输入端相连，永磁同步电机功率变换器20中的霍尔电压传感器3的第二输入端与永磁同步电机节能变频控制器19中的定子相电压计算模块10的第四输入端相连，永磁同步电机功率变换器20中的A相霍尔电流传感器5第二输入端、B相霍尔电流传感器6第二输入端分别与永磁同步电机节能变频控制器19中的Clarke变换模块11的第三、第四输入端相连。
内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器的构造方法，包括：
在转子磁场定向d-q坐标系中，根据计及永铁芯损耗的永磁同步电机等效电路模型，得到永磁同步电机的定子铜损耗PCu为
铁芯损耗PFe
总损耗PLoss为
电磁转矩Te为
得到电机总损耗
对于采用二电平逆变器馈电的内置式永磁同步电机直接转矩控制系统，且不采用零矢量，任一时刻作用于电机的是六个非零电压矢量中的一个，电压矢量的相位不同，但幅值相同，均为2Vdc/3，即有
要使PLoss极小，只需使式(6)中的第二项极小，即目标函数J极小
若使电机运行达到稳态，电机转速和负载恒定，则
从而可得
将式(9)代入式(6)，电机损耗可写成PLoss＝f(λds,Tss)；
当电机处于稳态运行状态时，电机转速和负载为一定值，为使电机损耗PLoss极小，令从而有
整理后得到
其中：
k3＝λf(4ρ3-9ρ2+6ρ-1)/(1-ρ)3；
其中λds，λqs分别表示转子磁链坐标系中定子磁链的d、q轴分量，ids，iqs分别为定子电流的d、q轴分量，idc、iqc分别为d、q轴铁芯损耗电流，idm＝ids-idc为定子电流的d轴去磁分量，iqm＝iqs-iqc为定子电流的q轴转矩分量，vds，vqs分别为定子电压的d、q轴分量，Ld，Lq分别表示d、q轴电感，Rs是定子绕组电阻，Rc是等效铁芯损耗电阻，np为极对数，ωr为转子机械转速，ω＝npωr为同步转速，B为粘滞摩擦系数，TL为负载转矩，λf为转子永磁链，Tss为稳态转矩；
据此来构造定子磁链计算模块，将定子磁链计算模块置入直接转矩控制系统，组成永磁同步电机节能变频控制器，永磁同步电机节能变频控制器与永磁同步电机功率变换器共同组成永磁同步电机节能变频器；其中永磁同步电机节能变频控制器中的开关逻辑表输出的控制逆变器开关信号sa,sb,sc接入功率变换器中的三相IGBT逆变器4中的开关信号sa,sb,sc。
本发明的有益效果：
1)采用直接转矩控制与效率优化方法相结合的控制技术，使电机驱动系统兼具高性能和高效率的特性。在保持永磁同步电机直接转矩控制系统转矩动态响应快、参数鲁棒性和抗负载扰动能力强特点的同时，明显地减小电机运行的功率损耗，提高电机的运行效率，达到节能降耗的目的；
2)无需增加额外硬件，具有结构简单，技术通用，易于实现，成本低廉，运行可靠等优点
3)可用于要求有高性能转速或转矩控制性能，同时又要求有高能量转换效率的电机驱动应用场合，尤其适合经常处于轻载运行状态或负载频繁变化的电机驱动应用场合。
附图说明
附图1是计及铁芯损耗的内置式永磁同步电机d轴、q轴等效电路图。
附图2是内置式永磁同步电机功率变换器结构图。
附图3是内置式永磁同步电机负载系统结构图。
附图4是内置式永磁同步电机节能变频控制器结构图。
附图5是内置式永磁同步电机节能变频器结构图。
附图6是内置式永磁同步电机节能变频调速系统原理图。
附图7是采用数字信号处理器DSP作为内置式永磁同步电机节能变频控制器实现的内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频调速系统的示意图。
附图8是采用节能变频器对内置式永磁同步电机系统进行控制时的运行程序框图。其中图8-1是主程序流程图，图8-2是中断控制程序流程图。
附图中的1是三相二极管整流器、2是滤波电容器、3是霍尔电压传感器、4是三相IGBT逆变器、5是A相霍尔电流传感器、6是B相霍尔电流传感器、7是内置式永磁同步电机、8是负载、9是混合式编码器、10是定子相电压计算模块、11是Clarke变换模块、12是转矩与定子磁链估计器、13是开关逻辑表、14是转矩滞环比较器、15是定子磁链滞环比较器、16是转速控制器、17是最优定子磁链计算模块、18是转速计算模块、19是永磁同步电机节能变频控制器、20是永磁同步电机功率变换器、21是永磁同步电机负载系统、22是永磁同步电机节能变频器。
具体实施方式
内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器，包括永磁同步电机节能变频控制器19、永磁同步电机功率变换器20，其中，永磁同步电机节能变频控制器19中的开关逻辑表13的第一、第二、第三输出端与永磁同步电机功率变换器20中的三相IGBT逆变器4的第三、第四、第五输入端相连，永磁同步电机功率变换器20中的霍尔电压传感器3的第二输入端与永磁同步电机节能变频控制器19中的定子相电压计算模块10的第四输入端相连，永磁同步电机功率变换器20中的A相霍尔电流传感器5第二输出端、B相霍尔电流传感器6第二输出端分别与永磁同步电机节能变频控制器19中的Clarke变换模块11的第三、第四输入端相连。
所述的永磁同步电机节能变频控制器19，包括定子相电压计算模块10、Clarke变换模块11、转矩与定子磁链估计器12、开关逻辑表13、转矩滞环比较器14、定子磁链滞环比较器15、转速控制器16、最优定子磁链计算模块17和转速计算模块18；其中，定子相电压计算模块10第一、第二输出端分别与Clarke变换模块11的第一、第二输入端相连，Clarke变换模块11的第一、第二、第三、第四输出端分别与转矩与定子磁链估计器12的第一、第二、第三、第四输入端相连，定子磁链估计器12的第一输出端、第二输出端分别与开关逻辑表13的第三输入端、定子磁链滞环比较器15的输入端相连，第三输出端分别与转矩滞环比较器14的输入端、最优定子磁链计算模块17的第一输入端相连，转速计算模块18的输出端分别与转速控制器16的输入端、最优定子磁链计算模块17的第二输入端相连，转速控制器16的输出端与转矩滞环比较器14的输入端相连，最优定子磁链计算模块17的输出端与定子磁链滞环比较器15的输入端相连，转矩滞环比较器14、定子磁链滞环比较器15的输出端分别与开关逻辑表13的第一、第二输入端相连，开关逻辑表13的第一、第二、第三输出端分别与定子相电压计算模块10的第一、第二、第三输入端相连；其中，定子相电压计算模块10的输入是逆变器开关信号sa,sb,sc和直流母线电压Udc，输出是定子相电压ua,ub；Clarke变换模块11的输入是定子相电压ua,ub和定子相电流ia,ib，输出是定子电压在静止坐标系中的分量usα,usβ和定子电流在静止坐标系中的分量isα,isβ；转矩与定子磁链估计器12的输入是Clarke变换模块11的四个输出，输出是定子磁链估计值磁链角估计值和转矩估计值开关逻辑表13的输入为转矩状态信号DT，磁链状态信号Dλ和磁链位置信号输出为控制逆变器的开关信号sa,sb,sc；转矩滞环比较器14的输入是转矩误差信号eT，输出是转矩状态信号DT；定子磁链滞环比较器15的输入是磁链误差信号eλ，输出是磁链状态信号Dλ；转速控制器16的输入是转速误差信号eω，输出是转矩参考值最优定子磁链计算模块17的输入是转矩估计值转速ωr，输出是最优定子磁链转速计算模块18的输入是混合式编码器的输出θr，输出是转速ωr。
所述的功率变换器20包括三相二极管整流器1、滤波电容器2、霍尔电压传感器3、三相IGBT逆变器4、A相霍尔电流传感器5和B相霍尔电流传感器6；其中三相二极管整流器1的第一信号输出端与三相IGBT逆变器4的第一信号输入端相接，三相二极管整流器1的第二信号输出端与霍尔电压传感器3的第一信号输入端相接，霍尔电压传感器3的第一信号输出端与三相IGBT逆变器4的第二信号输入端相接，所述的三相二极管整流器1的第一信号输出端通过滤波电容器2与三相二极管整流器1的第二信号输出端相接，霍尔电压传感器3的第二信号输出端输出直流母线电压Udc，三相IGBT逆变器4的第一信号输出端与A相霍尔电流传感器5的信号输入端相接，三相IGBT逆变器4的第二信号输出端与B相霍尔电流传感器6的信号输入端相接，A相霍尔电流传感器5的第一信号输出端、B相霍尔电流传感器6的第一信号输出端、三相IGBT逆变器4的第三信号输出端输出三相变频交流电源ua,ub,uc，所述的A相霍尔电流传感器5的第二信号输出端输出为相电流ia，B相霍尔电流传感器6的第二信号输出端输出为相电流ib；所述三相二极管整流器1的输入为三相工频交流电源Ua,Ub,Uc，三相IGBT逆变器4的输入为逆变器开关信号sa,sb,sc。
所述内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器22和内置式永磁同步电机负载系统21共同构成内置式永磁同步电机节能变频调速系统，其中永磁同步电机功率变换器20中的A相霍尔电流传感器5的第一信号输出端、B相霍尔电流传感器6的第一信号输出端、三相IGBT逆变器4的第三信号输出端输出的三相变频交流电源ua,ub,uc接入永磁同步电机负载系统21中的永磁同步电机7的三相变频交流电源ua,ub,uc的信号输入端，永磁同步电机负载系统21中的混合式编码器9的信号输出端与永磁同步电机节能变频控制器19中的转速计算模块18的信号输入端相连。
所述内置式永磁同步电机负载系统21包括内置式永磁同步电机7、负载8、混合式编码器9，其中内置式永磁同步电机7、负载8与混合式编码器9刚性连接，永磁同步电机7的输入为三相变频交流电压ua,ub,uc，混合式编码器9的输出为转子位置信号θr。
针对内置式永磁同步电机直接转矩控制驱动系统，利用不采用零电压矢量的二电平逆变器馈电的特点，通过合理的简化，建立了转子磁场定向坐标系中的内置式永磁同步电机的功率损耗计算模型，将直接转矩控制技术与效率优化方法相结合对内置式永磁同步电机进行控制；采用霍尔传感器检测定子电流和直流母线电压，混合式编码器测量转速，电压模型估计定子磁链和电磁转矩，构造最优定子磁链计算模块，最优定子磁链计算模块用于产生一定工况条件下的定子磁链给定值；将最优定子磁链计算模块、定子相电压计算模块、Clarke变换模块、定子磁链与转速估计器、转矩滞环比较器、磁链滞环比较器、简化的开关逻辑表、转速控制器、转速计算模块和功率变换器共同组成内置式永磁同步电机节能变频器，对内置式永磁同步电机进行高效率快响应的驱动控制。
其构造方法包括：
在转子磁场定向d-q坐标系中，根据计及永铁芯损耗的永磁同步电机等效电路模型，得到永磁同步电机的定子铜损耗PCu为
铁芯损耗PFe
总损耗PLoss为
电磁转矩Te为
得到电机总损耗
对于采用二电平逆变器馈电的内置式永磁同步电机直接转矩控制系统，且不采用零矢量，任一时刻作用于电机的是六个非零电压矢量中的一个，电压矢量的相位不同，但幅值相同，均为2Vdc/3，即有
要使PLoss极小，式6)中的第二项极小，即目标函数J极小
若使电机运行达到稳态，电机转速和负载恒定，则
从而可得
将式(9)代入式(6)，电气损耗可写成PLoss＝f(λds,Tss)；
当电机处于稳态运行状态时，电机转速和负载为一定值，为使电机损耗PLoss极小，令从而有
整理后得到
其中
k3＝λf(4ρ3-9ρ2+6ρ-1)/(1-ρ)3；
其中λds，λqs分别表示转子磁链坐标系中定子磁链的d、q轴分量，ids，iqs分别为定子电流的d、q轴分量，idc、iqc分别为d、q轴铁芯损耗电流，idm＝ids-idc为定子电流的d轴去磁分量，iqm＝iqs-iqc为定子电流的q轴转矩分量，vds，vqs分别为定子电压的d、q轴分量，Ld，Lq分别表示d、q轴电感，Rs是定子绕组电阻，Rc是等效铁芯损耗电阻，np为极对数，ωr为转子机械转速，ω＝npωr为同步转速，B为粘滞摩擦系数，TL为负载转矩，λf为转子永磁链，Tss为稳态转矩；
据此来构造定子磁链计算模块，将定子磁链计算模块置入直接转矩控制系统，组成永磁同步电机节能变频控制器，永磁同步电机节能变频控制器与永磁同步电机功率变换器共同组成永磁同步电机节能变频器；其中永磁同步电机节能变频控制器中的开关逻辑表输出的控制逆变器开关信号sa,sb,sc)接入功率变换器中的三相IGBT逆变器4)中的开关信号sa,sb,sc)。
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明
对照附图1，根据转子磁场定向坐标系中的计及铁芯损耗的永磁同步电机等效电路模型，可导出一定工况条件下，电机总损耗PLoss
对于采用二电平逆变器馈电的内置式永磁同步电机直接转矩控制系统，且不采用零矢量，任一时刻作用于电机的是六个非零电压矢量中的一个，电压矢量的相位不同，但幅值相同，均为2Vdc/3，即有
因此，要使PLoss极小，只需使上式中的第二项极小，即使如下的目标函数J极小
若电机运行达到稳态电机转速和负载恒定)，则
从而可得
为获得一定工况运行条件下转速和负载转矩一定，Tss为定值)的最优定子磁链，将式(9)代入式(7)，则电气损耗可写成PLoss＝f(λds,Tss)，当电机处于稳态运行状态时，为使电机损耗PLoss极小，只需使从而有
上式整理后可写成
其中
k3＝λf(4ρ3-9ρ2+6ρ-1)/(1-ρ)3；
其中λds，λqs分别表示转子磁链坐标系中定子磁链的d、q轴分量，ids，iqs分别为定子电流的d、q轴分量，idc、iqc分别为d、q轴铁芯损耗电流，
idm＝ids-idc为定子电流的d轴去磁分量，iqm＝iqs-iqc为定子电流的q轴转矩分量，vds，vqs分别为定子电压的d、q轴分量，Ld，Lq分别表示d、q轴电感，
Rs是定子绕组电阻，Rc是等效铁芯损耗电阻，np为极对数，ωr为转子机械转速，ω＝npωr为同步转速，B为粘滞摩擦系数，TL为负载转矩，λf为转子永磁链，Tss为稳态转矩。
之后采用多项式拟合方法构造最优定子磁链计算模块17，将该最优定子磁链计算模块置入直接转矩控制系统，组成永磁同步电机节能变频控制器19，永磁同步电机节能变频控制器19与功率变换器20共同组成永磁同步电机节能变频器22，其中永磁同步电机节能变频控制器19中的开关逻辑表13输出的控制逆变器开关信号sa,sb,sc连接功率变换器20中的三相IGBT逆变器4中的开关信号sa,sb,sc的输入端，永磁同步电机节能变频器22对永磁同步电机负载系统21进行控制，根据不同的电机额定功率，可选择不同的硬件和软件来实现。
具体的实施过程可分以下6步：
1)对照附图2，构造永磁同步电机功率变换器，包括三相二极管整流器1、滤波电容器2、霍尔电压传感器3、三相IGBT逆变器4、A相霍尔电流传感器5，B相霍尔电流传感器6；其中三相二极管整流器1的第一信号输出端与三相IGBT逆变器4的第一信号输入端相接，整流器1的第二信号输出端与霍尔电压传感器3的第一信号输入端相接，霍尔电压传感器3的第一信号输出端与三相IGBT逆变器4的第二信号输入端相接，所述的整流器1的第一信号输出端通过滤波电容器2与霍尔电压传感器3的第一信号输入端相接，霍尔电压传感器3的第二信号输出端输出直流母线电压Udc，三相IGBT逆变器4的第一信号输出端与A相霍尔电流传感器5的信号输入端相接，三相IGBT逆变器4的第二信号输出端与B相霍尔电流传感器6的信号输入端相接，A相霍尔电流传感器5的第一信号输出端、B相霍尔电流传感器6的第一信号输出端、三相IGBT逆变器4的第三信号输出端输出三相变频交流电压ua,ub,uc，所述的A相霍尔电流传感器5的第二信号输出端输出为相电流ia，B相霍尔电流传感器6的第二信号输出端输出为相电流ib。所述的整流器的输入有三相工频交流电源
Ua,Ub,Uc，三相IGBT逆变器4的第三，第四和第五输入为逆变器开关信号sa,sb,sc。
2)对照附图3，构造永磁同步电机负载系统21,，包括永磁同步电机7、负载8、混合式编码器9，其中永磁同步电机的输入为三相变频交流电压ua,ub,uc，混合式编码器的输出为转子位置信号θr。
3)对照附图4，构造永磁同步电机节能变频控制器19，包括定子相电压计算模块10、Clarke变换模块11、转矩与定子磁链估计器12、开关逻辑表13、转矩滞环比较器14、定子磁链滞环比较器15、转速控制器16、最优定子磁链计算模块17、转速计算模块18；其中定子相电压计算模块10的输入是逆变器开关信号sa,sb,sc和直流母线电压Udc，输出是定子相电压ua,ub；Clarke变换模块11的输入是定子相电压ua,ub和定子相电流ia,ib，输出是定子电压的在静止坐标系中的分量usα,usβ和定子电流的在静止坐标系中的分量isα,isβ；磁链与转矩估计器12的输入是Clarke变换模块的四个输出，输出是定子磁链估计值磁链角估计值和转矩估计值开关逻辑表13的输入为转矩状态信号DT，磁链状态信号Dλ和磁链位置信号输出为控制逆变器的开关信号sa,sb,sc；转矩滞环比较器14的输入是转矩误差信号eT，输出是转矩状态信号DT；磁链滞环比较器15的输入是磁链误差信号eλ，输出是磁链状态信号Dλ；最优定子磁链计算模块17的输入是转矩估计值和转速ωr，输出是最优定子磁链转速计算模块18的输入是混合式编码器的输出θr，输出是转速ωr。
4)对照附图5，构造永磁同步电机节能变频器22,，由节能变频控制器19与功率变换器20共同构成永磁同步电机节能变频器22。
5)对照附图6，构造永磁同步电机节能变频调速系统，包括永磁同步电机节能变频器22和永磁同步电机负载系统21，其中永磁同步电机节能变频器22中的三相IGBT逆变器4的第三信号输出端、A相霍尔电流传感器5的第一信号输出端、B相霍尔电流传感器6的第一信号输出端输出的三相变频交流电源ua,ub,uc接入永磁同步电机负载系统21中的永磁同步电机7的三相变频交流电源ua,ub,uc的输入端，永磁同步电机7、负载8与混合式编码器9通过机械装置刚性连接，混合式编码器9的信号输出端接转速计算模块18的信号输入端。
6)采用数字信号处理器DSP作为节能变频控制器，并通过软件编程实现本发明。
附图8为是采用节能变频器对内置式永磁同步电机系统进行控制时的运行程序框图。其中图8-1是主程序流程图，图8-2是中断控制程序流程图。
实施例1
对照附图7，节能变频控制器采用数字信号处理器DSP)通过软件编程来实现。DSP控制器采用TI公司的电机控制专用芯片TMS320F2812，功率逆变器采用三菱公司的智能功率模块PS21865、霍尔传感器采用瑞士LEM公司的2个LM25-NP和1个LV25-NP。交流永磁同步电机的型号为
130SFM_E050254，其参数为：PN＝1.3kW，额定电压UN＝220V，额定转速nN＝2500r/min，额定转矩TN＝5Nm，定子电阻Rs＝1.35Ω，铁芯损耗电阻Rfe
＝305Ω，定子d轴电感Ld＝7.76mH，定子q轴电感Lq＝17mH，转子惯量J＝0.003kg·m2，粘滞摩擦系数b＝0.001Nm·s。

Claims (6)

1.内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器，其特征是包括永磁同步电机节能变频控制器(19)和永磁同步电机功率变换器(20)，其中，永磁同步电机节能变频控制器(19)中的开关逻辑表(13)的第一、第二、第三输出端与永磁同步电机功率变换器(20)中的三相IGBT逆变器(4)的第三、第四、第五输入端相连，永磁同步电机功率变换器(20)中的霍尔电压传感器(3)的第二输出端与永磁同步电机节能变频控制器(19)中的定子相电压计算模块(10)的第四输入端相连，永磁同步电机功率变换器(20)中的A相霍尔电流传感器(5)第二输出端、B相霍尔电流传感器(6)第二输出端分别与永磁同步电机节能变频控制器(19)中的Clarke变换模块(11)的第三、第四输入端相连。
2.根据权利要求1所述的内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器，其特征是所述的永磁同步电机节能变频控制器(19)，包括定子相电压计算模块(10)、Clarke变换模块(11)、转矩与定子磁链估计器(12)、开关逻辑表(13)、转矩滞环比较器(14)、定子磁链滞环比较器(15)、转速控制器(16)、最优定子磁链计算模块(17)和转速计算模块(18)；其中，定子相电压计算模块(10)的第一、第二输出端分别与Clarke变换模块(11)的第一、第二输入端相连，Clarke变换模块(11)的第一、第二、第三、第四输出端分别与转矩与定子磁链估计器(12)的第一、第二、第三、第四输入端相连，定子磁链估计器(12)的第一输出端、第二输出端分别与开关逻辑表(13)的第三输入端、定子磁链滞环比较器(15)的输入端相连，第三输出端分别与转矩滞环比较器(14)的输入端、最优定子磁链计算模块(17)的第一输入端相连，转速计算模块(18)的输出端分别与转速控制器(16)的输入端、最优定子磁链计算模块(17)的第二输入端相连，转速控制器(16)的输出端与转矩滞环比较器(14)的输入端相连，最优定子磁链计算模块(17)的输出端与定子磁链滞环比较器(15)的输入端相连，转矩滞环比较器(14)、定子磁链滞环比较器(15)的输出端分别与开关逻辑表(13)的第一、第二输入端相连，开关逻辑表(13)的第一、第二、第三输出端分别与定子相电压计算模块(10)的第一、第二、第三输入端相连；其中，定子相电压计算模块(10)的输入是逆变器开关信号sa,sb,sc和直流母线电压Udc，输出是定子相电压ua,ub；Clarke变换模块(11)的输入是定子相电压ua,ub和定子相电流ia,ib，输出是定子电压在静止坐标系中的分量usα,usβ和定子电流在静止坐标系中的分量isα,isβ；转矩与定子磁链估计器(12)的输入是Clarke变换模块(11)的四个输出，输出是磁链角估计值定子磁链估计值和转矩估计值开关逻辑表(13)的输入为转矩状态信号DT，磁链状态信号Dλ和磁链位置信号，输出为控制逆变器的开关信号sa,sb,sc；转矩滞环比较器(14)的输入是转矩误差信号eT，输出是转矩状态信号DT；定子磁链滞环比较器(15)的输入是磁链误差信号eλ，输出是磁链状态信号Dλ；转速控制器(16)的输入是转速误差信号eω，输出是转矩参考值Te *；最优定子磁链计算模块(17)的输入是转矩估计值转速ωr，输出是最优定子磁链转速计算模块(18)的输入是混合式编码器的输出θr，输出是转速ωr。
3.根据权利要求1所述的内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器，其特征是所述的功率变换器(20)包括三相二极管整流器(1)、滤波电容器(2)、霍尔电压传感器(3)、三相IGBT逆变器(4)、A相霍尔电流传感器(5)和B相霍尔电流传感器(6)；其中三相二极管整流器(1)的第一输出端与三相IGBT逆变器(4)的第一输入端相接，三相二极管整流器(1)的第二输出端与霍尔电压传感器(3)的第一输入端相接，霍尔电压传感器(3)的第一输出端与三相IGBT逆变器(4)的第二输入端相接，所述的三相二极管整流器(1)的第一输出端通过滤波电容器(2)与三相二极管整流器(1)的第二输出端相接，霍尔电压传感器(3)的第二输出端输出直流母线电压Udc，三相IGBT逆变器(4)的第一输出端与A相霍尔电流传感器(5)的输入端相接，三相IGBT逆变器(4)的第二输出端与B相霍尔电流传感器(6)的输入端相接，A相霍尔电流传感器(5)的第一输出端、B相霍尔电流传感器(6)的第一输出端、三相IGBT逆变器(4)的第三输出端输出三相变频交流电源ua,ub,uc，所述的A相霍尔电流传感器(5)的第二输出端输出为相电流ia，B相霍尔电流传感器(6)的第二输出端输出为相电流ib；所述三相二极管整流器(1)的输入为三相工频交流电源Ua,Ub,Uc，三相IGBT逆变器(4)的输入为逆变器开关信号sa,sb,sc。
4.根据权利要求1所述的内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器，其特征是所述内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器(22)和内置式永磁同步电机负载系统(21)共同构成内置式永磁同步电机节能变频调速系统，其中永磁同步电机功率变换器(20)中的A相霍尔电流传感器(5)的第一输出端、B相霍尔电流传感器(6)的第一输出端、三相IGBT逆变器(4)的第三输出端输出的三相变频交流电源ua,ub,uc接入永磁同步电机负载系统(21)中的永磁同步电机(7)的三相变频交流电源ua,ub,uc的输入端，永磁同步电机负载系统(21)中的混合式编码器(9)的输出端与永磁同步电机节能变频控制器(19)中的转速计算模块(18)的输入端相连。
5.根据权利要求1所述的内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器，其特征是所述内置式永磁同步电机负载系统(21)包括内置式永磁同步电机(7)、负载(8)、混合式编码器(9)，其中内置式永磁同步电机(7)、负载(8)与混合式编码器(9)机械连接，永磁同步电机(7)的输入为三相变频交流电压ua,ub,uc，混合式编码器(9)的输出为转子位置信号θr。
6.构造权利要求1所述的内置式永磁同步电机直接转矩控制节能变频器的方法，其特征在于：
在转子磁场定向d-q坐标系中，根据计及铁芯损耗的永磁同步电机等效电路模型，得到永磁同步电机的定子铜损耗PCu为
铁芯损耗PFe
总损耗PLoss为
电磁转矩Te为
得到电机总损耗
对于采用二电平逆变器馈电的内置式永磁同步电机直接转矩控制系统，且不采用零矢量，任一时刻作用于电机的是六个非零电压矢量中的一个，电压矢量的相位不同，但幅值相同，均为2Vdc/3，即有
要使PLoss极小，只需使式(6)中的第二项极小，即目标函数J极小
若使电机运行达到稳态，电机转速和负载恒定，则
从而可得
将式(9)代入式(6)，电机损耗可写成PLoss＝f(λds,Tss)；
当电机处于稳态运行状态时，电机转速和负载为一定值，为使电机损耗PLoss极小，令从而有
整理后得到
其中
k3＝λf(4ρ3-9ρ2+6ρ-1)/(1-ρ)3；
其中λds，λqs分别表示转子磁链坐标系中定子磁链的d、q轴分量，ids，iqs分别为定子电流的d、q轴分量，idc、iqc分别为d、q轴铁芯损耗电流，idm＝ids-idc为定子电流的d轴去磁分量，iqm＝iqs-iqc为定子电流的q轴转矩分量，vds，vqs分别为定子电压的d、q轴分量，Ld，Lq分别表示d、q轴电感，Rs是定子绕组电阻，Rc是等效铁芯损耗电阻，np为极对数，ωr为转子机械转速，ω＝npωr为同步转速，B为粘滞摩擦系数，TL为负载转矩，λf为转子永磁链，Tss为稳态转矩；
据此来构造定子磁链计算模块，将定子磁链计算模块置入直接转矩控制系统，组成永磁同步电机节能变频控制器，永磁同步电机节能变频控制器与永磁同步电机功率变换器共同组成永磁同步电机节能变频器；其中永磁同步电机节能变频控制器中的开关逻辑表输出的控制逆变器开关信号sa,sb,sc接入功率变换器中的三相IGBT逆变器(4)中的开关信号sa,sb,sc。
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