永磁同步电机是全封闭整体直驱系统，其调速系统需要依靠在电机轴上安装速度和位置传感器来实现，同时也带来了以下问题：(1)受温度、湿度、检测距离、振动等使用条件的限制，尤其是在对检测精度要求较高的场合，传感器对工作条件有更苛刻的要求，限制了 PMSM 在这一些特殊领域的应用，使得安装有此类传感器的驱动系统不能适用于各种场合；(2) 传感器的安装加大了电机的体积和空间尺寸，同时也增加了系统的转动惯量； (3) 为了保证测量精度，传感器的安装和维护要求也较高，这就增加了驱动系统的复杂性、降低了系统可靠性，同时提高了成本。因此，永磁同步电机无传感器控制成为了电机控制领域的研究热点，特别是在国防科技领域等的现代机电控制系统中占有重要位置。
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第 2 章 PMSM 无传感器 DTC 系统实验平台的建立
2.1 永磁同步电机结构与数学模型
永磁同步电机的发展基础是绕线式转子同步电机，它不要电励磁同步电机那样通过励磁绕组、集电环和电刷来产生转子励磁电流，而是以永磁体的磁场为励磁[99-103]，但其定子的基本结构与绕线转子同步电机相同[65]。一般来说，为了实现对永磁同步电机电枢电流的控制，需要安装霍尔传感器等转子位置检测器，以检测永磁同步电机的转子磁极位置。永磁同步电机转子位置传感器需要与转子同轴安装，常见的传感器包括霍尔电流传感器、光电编码器或旋转变压器等。永磁同步电机的特点是动态响应快、电磁转矩纹波系数小、过载能力强、运行平稳[104-107]，适合于在负载转矩产生较大变化时使用；因为它的功率因数较高，所以在轻载运行时电能损耗比较小，长期使用的情况下也不会增加太多的电能损耗；另外，其电机重量轻、体积小、应用场合较广泛、具有多种结构，因此世界各已经在交流伺服电机的设计和控制领域投入了大量研究。与其他类型的交流电机相比，永磁同步电机具有以下优点：(1) 永磁电动机的励磁磁场采用永磁材料，励磁磁场不需要绝缘和绕组，可以在很小的区域里获得很大的磁场强度，且电机整体地安装在轮轴上，形成整体直驱系统108]，即一个轮轴就是一个驱动单元，省去了一个齿轮箱，减少了电动机尺寸。
2.2 PMSM 无传感器 DTC 系统结构
该系统主要中永磁同步电机作为受控研究对象，速度环用来实现调速系统的高性能转速控制，转矩环用来实现高动态性能的转矩控制。磁链与转矩估算环节作为转矩环的反馈值、逆变器作为功率转换元件。将速度给定指令值与编码器或者转速观测器反馈的转速作对比，其差值作为输入到转速控制器中，转速控制器通过先进的控制方法得到转矩环的指令电磁转矩。通过电压电流及转子位置估算出定子磁链，得到定子磁链幅值、相位以及所处扇区等信息。在通过转矩模型计算出转矩估算值。将指令电磁转矩与反馈的估算转矩作对比，其差值输入转矩 PI 控制器。将给定定子磁链幅值与反馈的定子磁链估算幅值作对比，其差值输入磁链 PI 控制器。经过两者的输出值为定子磁链所在坐标系内的电压空间矢量指定输出值，X 方向电压矢量控制磁链幅值的大小，Y 方向的电压矢量控制定子磁链的转角，再去定子磁链目前所在的位置结合，通过坐标转换得到两相静止坐标系下需要选择的空间电压矢量，最后由逆变器将该电压输出到电机绕组端。第 3 章 提高 IPMSM 中高速位置动态观测精度的方法研究........30
3.1 基于扩展反电势的自适应离散滑模转子位置观测器(ADSMO) ........303.2 基于有效磁链的动态相位补偿位置观测器(DPCO) .........48
3.3 基于有效反电势概念的动态误差角补偿位置观测器(DEACO) ...............61
第 4 章 提高 IPMSM 低速转子位置估计精度的方法研究.........74
4.1 高频电压注入法转子位置检测原理..............74
4.2 高频电压信号注入法电流过零效应位置估计误差补偿（CZDVC） ......77
4.3 仿真及实验分析................82
4.4 本章小结..............87
第 5 章 永磁同步电机磁链及电流谐波补偿 ..........88
5.1 IPMSM 磁链及电流谐波补偿算法.........88
5.2 仿真和实验结果分析...........91
5.3 本章小结.............95
第 6 章 永磁同步电机无传感器直接转矩控制运行
6.1 基于新型 EEMF 转速位置观测器的无传感器 DTC 运行
图 6-1 为采用基于新型 EEMF 转速位置观测器时，电机转速闭环控制系统的变速运行实验分析，图 6-1(a)和(b)显示了电机在恒定 0.1Nm 负载下，从 200r/min速后达到 500r/min，而后又减速到 200r/min 的变速过程，新型无传感器 DTC系统的实际转速较好地跟踪了指令转速。图 6-1(b)和(c)是该过程中的改进前与改进后的转速控制误差比较图。可以看出，当转速从 200r/min 升至 500r/min 的变速过程中，改进前的转速动态误差为1rad/s，转速瞬态稳定时间为 0.02s；改进后的转速动态误差为 0.6rad/s，转速瞬态稳定时间为 0.018s。当转速从 500r/min 降至 200r/min 的变速过程中，改进前的转速动态误差为 0.5rad/s，转速瞬态稳定时间为 0.035s；改进后的转速动态误差为 0.2rad/s，转速瞬态稳定时间为 0.02s。6.2 基于新型有效磁链转速位置观测器的无传感器 DTC 运行
图 6-3(b)和(c)是该过程中的改进前与改进后的转速控制误差比较图。可以看出，当转速从 200r/min 升至 500r/min 的变速过程中，改进前的转速动态误差为1.2rad/s，转速瞬态稳定时间为 0.03s；改进后的转速动态误差为 0.65rad/s，转速瞬态稳定时间为 0.027s。当转速从 500r/min 降至 200r/min 的变速过程中，改进前的转速动态误差为 1.1rad/s，转速瞬态稳定时间为 0.032s；改进后的转速动态误差为 0.5rad/s，转速瞬态稳定时间为 0.022s。在 200r/min 的稳定转速下，改进前的转速稳态谐波误差为 0.13rad/s，改进后的转速稳态谐波误差为 0.06rad/s。在 500r/min 的稳定转速下，改进前的转速稳态谐波误差为 0.09rad/s，改进后的转速稳态谐波误差为 0.04rad/s。更多实验结果表明，新型无传感器 DTC 转速闭环系统具有更高的转速控制精度和更快的瞬态稳定时间。.....
第 7 章 结论与展望
随着微处理器技术、功率高性能半导体功率器件技术和永磁材料制造工艺的迅速发展以及高频化、大功率化、智能化和模块集成化电力电子器件的问世，交流伺服系统由于其良好的稳态性能、动态性能，逐渐取代传统的直流伺服系统，全面进入实用化阶段，成为主流产品在国内外得到快速发展。永磁同步电机无传感器直接转矩控制技术是近些年来在交流伺服电机控制技术中非常活跃的一个领域，能够可靠地工作于多种特殊环境下且动态控制性能高，在现代交流电机控制中占有举足轻重的地位。目前，无传感 DTC 系统在航空航天、国防军工等重要领域已有了研究及应用成果，包括美国国家航天局研发的运载火箭推力矢量控制执行机构和航天飞行器飞行表面控制执行机构，以及船舶电力推进螺旋桨和襟翼舵、潜艇侧推机构等。
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参考文献（略）
