本文是一篇计算机应用论文，本文以表贴式 PMSM为研究对象，对其直接转矩控制系统中存在的不足进行了一系列的研究，主要研究内容和成果如下：(1)查阅了大量资料，了解了 PMSM 及其控制策略的发展概况，对直接转矩控制的研究现状进行简要说明，分析了滑模变结构控制策略和无差拍控制策略的研究现状，重点介绍了无传感器技术的发展趋势，分析了几种适用于 PMSM 不同转速下的无传感器控制策略的特点。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景和意义
21 世纪以来，电能作为一种不可或缺的能源活跃在各个领域，在电能转换和利用中电机充当了关键的角色。目前电机学的两大主要研究方向为电机自身设计和电机控制驱动。电机有很多种分类，各类电机的结构性能也不尽相同，各式各样的电机在新能源汽车、医疗器械、机器人制造等领域大放异彩[1]，同时其控制驱动技术也得到巨大的进步。各类场合中对电机的性能要求也有所区别，工业生产流水线中要求对电机实现动态监控，新能源汽车中的电机更注重转速和稳定性，医疗器械中的电机必须具有极高的精确度，风车中的电机能够满足大负载的需求，因此对电机控制驱动技术的研究十分关键。
电机调速系统中可以分为多种类别，比较典型的有直流调速和交流调速。其中，直流调速作为一种简单的调速方法，稳定性能好，尤其是在启动和制动环节具有高性能的表现，因此多被用于控制性能要求较高的传动系统中[2]。但是，直流调速系统中的直流电机由于结构的局限性，难以在高速度和大容量的领域发挥作用，而交流电机有着结构简单的优点，不存在电刷，并且占用空间少，自身重量也小。交流调速系统动态响应迅速，稳定状态下系统性能好，而且拓宽了电机调速范围，并且随着交流电机的发展革新、电力电子技术的深入研究，该技术得到了显著的进步和完善[3]。此外，永磁电机的自身构造成本也因为新型永磁材料的开发和运用技术的进步而显著降低，性能也得到了进一步提升。随着时代的发展，直流调速系统慢慢退出舞台，交流调速系统开始逐渐在工业生产设备、医疗器械、飞行器设计等领域大放异彩[4~7]。
多数情况下，永磁电机难以在理想状态下运作，其工作环境都比较复杂，伴随着各类机械抖动和电磁干扰，目前相关理论支撑与技术开发还不是太成熟完备，因此必须要提升到一个新的高度。在我国，由于相关研究比较落后，又受到国外在该领域上技术垄断的影响，因此还存在许多技术难题需要解决。其中，无传感器控制技术备受学者青睐，运用该技术能够有效避免机械传感器引发的一系列干扰，提高电机稳定性，具有较高的经济效益。然而无传感器控制技术的研究仍存在许多不足，主要集中在转子位置的观测和系统动态性能的提高两方面[8]，如何进一步提高无传感器技术的研究水平、拓宽其应用范围具有深刻的现实意义。
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1.2 永磁同步电机发展概述
19 世纪 30 年代，巴洛借助永磁体自身可以产生励磁磁场，成功设计了史上首台永磁电机，但是受限于永磁体材料为磁能密度较低的磁铁矿石，因此永磁电机占用空间很大，不便于实际应用[9]。随着电励磁电机的飞速问世，处于萌芽时期的永磁电机慢慢退出舞台。在 20 世纪 80 年代之前，国内对于电励磁电机的研究都比较少，直到 80 年代后期，国内学者才开始重视有关永磁电机设计和控制技术的研究。永磁同步电机设计过程中的关键部分是永磁材料的选取，近百年来，研究人员一直在开发高磁性能的永磁性材料。起初的电机永磁体的选用多采用碳钢、钨钢等磁性能很低的永磁材料，因此 PMSM 性能难以满足需求，没有得到普遍应用。直到性能优异的永磁材料如铝镍钴和铁氧体陆续得到利用，PMSM 的性能有了显著提升，开始得到了越来越多的应用[10]。在最近的几十年期间，电力电子技术、驱动控制技术等相关技术得到全面的发展，PMSM 的结构设计、传感器应用等技术也得到更新和进步，相关控制理论也日益完善。除此之外，稀土材料的开发应用也起到了促进作用。目前来看，应用较多的稀土 PMSM 的发展过程[11]如下：
(1)第一阶段(20 世纪 60 至 70 年代)：自身成本较高的永磁材料开采和利用技术普遍较低，进而限制了永磁电机的应用场合，永磁电机主要应用在中高端领域；
(2)第二阶段(20 世纪 80 至 90 年代)：一方面新的永磁材料开始得到关注，钕铁硼也得到开发利用，永磁电机的制造成本显著下降，另一方面相关控制驱动理论也逐步完善，高精度控制更容易实现。正是由此阶段开始，PMSM 的研究与应用开始由逐步扩大到重工业、制造业等大众领域；
(3)第三阶段(20 世纪 90 年代以后)：相关理论及其实际应用技术日益成熟，永磁材料的研发技术也取得重大突破，尤其是新型永磁材料的选取和人工智能思想的融入，不仅使得永磁电机的控制性能更上一层楼，而且还大大拓宽了永磁电机的适用场合[12]。如今，PMSM 凭借转速高、功率大、功能多、控制性能好的特性，逐步成为各类电机中的佼佼者。
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第 2 章 永磁同步电机直接转矩控制系统
2.1 永磁同步电机概述
2.1.1 永磁同步电机结构
PMSM 自身结构相对并不复杂，主要有定子、转子和端盖三部分。电枢绕组的种类有很多，不同种类的 PMSM 对应不同的绕组结构，有集中整距绕组和分布短距绕组等。在某些特定的 PMSM 中，还会通过采用一些非常规类型的绕组结构来提升电机的自身性能，比如星型定子绕组等。除此之外，PMSM 的气隙长度也是一个重要的指标，不但影响着 PMSM 电抗值的大小，而且还与其装配工艺和杂散损耗等方面密切相关。
PMSM 最大的特点在于转子磁路结构，采用各类永磁材料作为永磁体替换常见的励磁绕组，所以其结构中不包含励磁线圈、碳刷等相关器件。根据永磁体在转子上的不同位置，PMSM 的转子结构一般有表贴式、内置式和插入式[55]三类，如图 2-1 所示。
图 2-1 PMSM 转子结构
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2.2 永磁同步电机直接转矩控制
2.2.1 传统直接转矩控制原理介绍
直接转矩控制作为 PMSM 中的一种典型的控制策略，其基本原理是在交流直角坐标系中，无需进行旋转坐标交换，直接采用定子磁通定向，通过空间矢量分析法处理 PMSM 的定子电压和电流信号，得到定子磁链和电磁转矩的输出值，将该输出值与对应的给定值进行比较，二者的差值作为定子磁链和电磁转矩控制信号输入，通过滞环控制处理后，结合开关表和扇区判断环节最终实现对 PMSM 的直接控制[57]。传统 PMSM-DTC 系统的结构图如图 2-3 所示。
图 2-3 传统 PMSM-DTC 系统结构
由图 2-3 可知，该系统中三相逆变器和 PMSM 本体作为驱动部分并输出电压和电流信号，经过坐标变换后进入磁链与转矩控制环节得到对应的实际值，由位置传感器输出转速的实际值，将其与转速的给定值作对比，两者差值作为转速控制环节的输入，经过 PI 控制器处理后的输出即为电磁转矩的给定值。磁链与转矩的给定值与其对应计算出的实际值作差值运算后，将其输出结果通过滞环控制调节，再结合扇区信号，最后在开关表环节以及逆变器的作用下，驱动 PMSM 运行。
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第 3 章 基于新型滑模控制器的永磁同步电机直接转矩控制................... 29
3.1 滑模变结构控制原理 ·················29
3.2 新型滑模控制器设计 ···································30
第 4 章 基于无差拍的永磁同步电机直接转矩控制.............. 37
4.1 无差拍控制原理 ····························37
4.2 无差拍控制器设计 ······························38
4.2.1 电机离散化模型建立 ·················38
第 5 章 基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制............................. 49
5.1 传统滑模观测器原理 ······························49
5.2 基于超螺旋算法的滑模观测器设计 ···············51
第 5 章 基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制
5.1 传统滑模观测器原理
传统 SMO 通过对 PMSM 反电动势信号的分析，根据电流给定值与反馈值之间的误差设计滑模面，同时选用合适的滑模增益实现对反电动势的估算，最后采用反正切函数方法对转子位置和电机转速进行估算[65]，实现 PMSM 无传感器控制。
下面具体介绍传统 SMO 的实现过程，其原理如图 5-1 所示。
图 5-1 传统 SMO 原理图
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结论
随着电力电子技术以及现代控制理论的发展，PMSM 在航空航天、新能源汽车、工业制造、机器人控制等领域得到了广泛的应用。本文以表贴式 PMSM为研究对象，对其直接转矩控制系统中存在的不足进行了一系列的研究，主要研究内容和成果如下：
(1)查阅了大量资料，了解了 PMSM 及其控制策略的发展概况，对直接转矩控制的研究现状进行简要说明，分析了滑模变结构控制策略和无差拍控制策略的研究现状，重点介绍了无传感器技术的发展趋势，分析了几种适用于 PMSM 不同转速下的无传感器控制策略的特点。
(2)介绍了各类坐标变换法则，建立了多种坐标系下对应的 PMSM 数学模型，分析了 PMSM 传统直接转矩控制原理，阐述了 SVPWM 算法
