永磁无刷直流电机直接转矩控制

一种永磁无刷直流电机直接转矩控制方法，对电机的定子磁链和和转矩进行观测。

第 2 8卷 第 6期
1 0 4  2 0 0 8年 2月 2 5日
中 国 电 机 工 程 学 报
Pr oc e e d i n gs   of   t he   CSEE
Vo1 ． 2 8   No． 6   Fe b． 2 5， 2 0 08 
@2 00 8   Chi n． So c． f or   El e c ． Eng 
文章编号：0 2 5 8 ． 8 0 1 3 ( 2 0 0 8 ) 0 6 — 0 1 0 4— 0 6   中图分类号：T M  3 4 3   文献标识码：A   学科分类号：4 7 0 ． 4 0 
永磁无刷直流电机直接转矩控制
夏长亮，张茂华，王迎发，刘 丹
( 天津大学电气与自~4 t ； - z 4 1 学院，天津市 南开区 3 0 0 0 7 2 )  

摘要： 永磁无刷直流电机以其效率高、噪音低、易维护等优
点在工业控制的各个领域得到了越来越广泛的应用。但是， 
永磁无刷直流电机存在较大的转矩波动， 这就限制了它在高
精度系统中的应用。直接转矩控制具有瞬时转矩控制的特
点。 它直接在定子坐标系下观测电机的磁链、 转矩，并将此
观测值和给定值进行比较， 差值经滞环控制器得到相应的控
制信号，再综合当前的磁链状态来选择相应的电压空间矢
量， 实现对电机转矩的直接控制。 该文尝试将直接转矩控制
方法用于永磁无刷直流电机的控制， 以期达到抑制转矩波动
的目的。 仿真及实验结果表明，该文提出的方法能够较好地
基金项目：天津市科技攻关计划重大项 目( 0 5 Z HG C G X0 0 1 0 0 ) ：天
津市应用基础研究重点项 目( 0 4 3 8 0 2 0 1 1 ) 。 
抑制永磁无刷直流电机的转矩波动， 并且具有很高的动态响
应速度。 
关键词：永磁无刷直流电机；转矩波动；直接转矩控制
0  引言
永磁无刷直流电机( p e r ma ne n t   ma g n e t   b ms h l e s s 
D C   mo t o r s ，B L D C M) 由于结构简单、出力大、调速
性能良好， 在工业领域中得到了日益广泛的应用【 j   J 。 
由于齿槽转矩和非理想的方波输入等多方面原因使
得永磁无刷直流电机的转矩波动比较明显，这大大
地限制了其在精度较高的伺服系统中的应用。针对
这一问题，国内外许多学者进行了大量的研究。文
献【 4 ] 利用  一 0参考坐标变换原理对电机进行控
制，使电机达到转矩波动最小、效率最大；文献【 5 ] 
对相电流和反电势进行傅立叶级数分解，再对谐波
转矩做相应的补偿，该方案控制精度较高；文献【 6 】 
利用人工神经网络对电机换向时的系统模型进行
在线辨识，通过控制电机换向过程中换向电流上升
和下降时间，补偿由换向引起的回路电流幅值变
化，达到抑制转矩波动的目的。 
直接转矩控$ l J ( d i r e c t   t o r q u e   c o n t r o l ，D T C ) 采用
定子磁场定向和空间矢量的概念，通过检测定子电
压、电流，直接在定子坐标系下观测电机的磁链、 
转矩，并将此观测值和给定值进行比较，差值经滞
环控制器得到相应的控制信号，再综合当前的磁链
状态来选择相应的电压空间矢量，实现对电机转矩
的直接控制  J 。它从功能上可以划分为 2部分：第
1为定子磁链的观测和控制部分，作用是选择适当
的电压空问矢量，以在定子中产生六边形磁链；第
2为转矩观测和控制部分，作用是实现转矩的瞬时
控制。近年，D T C在同步电机特别是永磁同步电机
中的应用国内外已有文献报道【 8 。 ¨ 。但是，将 D T C 
第 6期  夏长亮等：   永磁无刷直流电机直接转矩控制  1 0 5 
用于永磁无刷直流电机的研究还不多。 
由于永磁无刷直流电机具有位置传感器，且其
电动连续运行时由位置传感器给出的电压空间矢
量恰好能够在电机定子上产生六边形的磁链，所以
将 DT C用于永磁无刷直流电机时，一方面可以略
去其磁链观测部分，以简化控制系统的结构，另～
方面利用其转矩控制的高动态性，将电机的转矩波
动限制在规定的范围内。永磁无刷直流电机电动运
行时的定子磁链波形如图1所示。其中，横轴为定
子  坐标系的  轴，纵轴为 轴。 
＼   、   以
f   多   ．／  k 
1   永磁无刷直流电机的数学模型
l   l  l   R s  0  0   I l f A   l 
l   l = l   0   R s  0   l I 七l + 
【 _   c   j【 - 0  0~l L i c   j 
0   L  0   e
0   0   L  M   ] ( 1 )   l  —  l 二 I   l + I   l ( 1 )   I   —   r   l   I   l   I   式中：U A 、U B 、U c为三相定子相电压；e A 、e B 、e c 
为三相定子反电势；i A 、i B 、i c 为三相定子电流；L 
为定子自感；   为定子间互感。 
电磁转矩的表达式为
=
(  f A +P B 七十  f c ) ／   ( 2 ) 
式中  转子的机械角速度。 
由式( 2 ) 可以看出，要保持转矩恒定，在转速一
定时，e A i A 、e B i B 、e c i c 之和必须恒定。假定电机气
隙磁场分布为理想的梯形波，反电势与磁感应强度
分布一致，则要保持转矩恒定，必须使电枢电流为
理想方波且与反电势同相位。因此，很多文献都把
定子电流作为控制对象，运用各种控制策略，以产
生方波定子电流  H 】 。 
2 永磁无刷直流电机的电压空间矢量及其
选择
永磁无刷直流电机一般采用两两通电方式，即
每一瞬间有 2个功率管导通，每隔 1 1 6周期( 6 0 。 电
角度) 换向一次， 每次换向 1 个功率管， 每～功率管
导通 1 2 0 。 电角度。因此，本文用六位二进制数来表
示其电压空间矢量，每一位二进制数代表 1 个功率
管的开关状态，0表示功率管关断，1表示功率管
导通。由于各功率管都关断时，电机定子端电压为
零， 所以这里用 V ( 0 0 0 0 0 0 ) 来表示零电压空间矢量。 
各功率管的开关状态与非零电压空间矢量的对应
关系如图 2 所示。 图2 ( a ) 中的理想开关代表功率管， 
V 2 ( 0 01 0 01 )   V 3 ( 01   1 0 0 0 ) 
V 4 ( 01 0 01 0 )   ( 0 0 0 1   1 0 )   V6 ( 1 0 01 0 0 ) 
( a ) 不同功率管状态下的电压空间矢量
( b ) 非零电压空间矢量
图2 永磁无刷直流电机非零电压空间矢量图
F i g ． 2   No n- z e r o   v o l t a g e   s p a c e   v e c t o r s   f o r   BLDCM 
1 0 6   中 国   电 机 工 程 学 报  第 2 8 卷
闭合表示功率管导通， 打开表示功率管关断。 图2 ( b ) 
中a 、b 、C为定子三相坐标系。 
永磁无刷直流电机一般使用霍尔元件作为其
位置传感器。电机根据霍尔元件的 3个输出信号
H A、H B、H C 的不同逻辑组合选择相应的电压空
间矢量，以实现连续电动运行。表 1 和表2给出了
电机电动运行时各霍尔信号与电压空间矢量的对
应关系。其中，表 1为逆时针旋转时的对应关系， 
表 2为顺时针旋转时的对应关系。 
表 1   电压空间矢量选择表( 逆时针旋转) 
Ta b．1   Se l e c t i o n  t ab l e   of   v ol t ag e 
s p a c e   v e c t o r s( a n t i - c l o c k wi s e ) 
表 2 电压空间矢量选择表( 顺时针旋转) 
Ta b． 2  S e l e c t i o n   t ab l e   o f   v o l t ag e   s p a c e   v e c t o r s( c l o c k wi s e ) 
如前所述，永磁无刷直流电机按照不同的位置
信号给出相应的电压空间矢量即可在定子中产生六
边形磁链。因此，本文将 D T C用于永磁无刷直流电
机时，直接使用位置信号来选择电压空间矢量，从
而略掉了磁链观测部分，简化了控制系统的结构。 
3 永磁无刷直流电机的转矩观测
为了运用 D T C， 需要对电机的电磁转矩进行观
测。本文用式( 2 ) 来计算转矩。 
对于实际的控制系统，电机的反电势一般无法
直接测得， 可检测量有定子对地端电压、 定子电流、 
中性点电压( 对于有中性点引出线的电机可直接测
量，对于无中性点引出线的电机，可通过在定子端
并联三相 Y形对称负载来模拟中性点) 、电机转速。 
设  为定子对地端电压，   为中性点电压，则有
Ux：“ x+UN (  为A， B， C)   ( 3 ) 
U A - - U N l — o  l — 
I   L—M  0   0   I ， I   I 
1  0   L — M   0  l  l   f B   l   ( 4 )   l  0   0   L — M  l 
式( 4 ) 右端均为可直接检测量或已知量。 将式( 2 ) 
与式( 4 ) 联立即可求得电磁转矩。 
4 永磁无刷直流电机的 D T C控制
4 ． 1 转矩控制
由电机统一理论知，电机的电磁转矩可表示为
=
k   I ~ f s l l ~ r l   s i n 0   ( 5 ) 
式中：k m为转矩系数；I   I 为定子磁链空间矢量幅
值；I   I 为转子磁链空间矢量幅值；纳 定转子磁
链之间的夹角，即磁通角。 
根据式( 5 ) ，转矩的大小与定子磁链幅值、转
子磁链幅值和磁通角0成正比。 对永磁无刷直流电
机而言，在实际运行中，转子磁链幅值由永磁体
产生，其大小近似恒定。因此，要控制电机的转
矩，只能通过控制定子磁链，进而改变磁通角0 
的大小来实现。在 D T C中，其基本的控制方法就
是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速
度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的
平均旋转速度，从而改变磁通角0的大小，达到控
制电机转矩的目的。 
按照 DT C理论，为了实现电机转矩控制的高
动态性，需要对转矩进行闭环控制。本文采用转矩
两点式调节器来实现，如图3 所示。 
r _ 1  r ] 
图 3 转矩两点式调节器
Fi g ．3   Tor qu e   po i nt - t o- poi nt   r e gu l at or 
图中， 调节器的输入量是转矩给定值  和转矩
反馈值  的信号差△ 丁 ， 输出量是转矩开关信号  。 
调节器的容差是±  ，采用离散的两点式调节方式。 
它对转矩的调节过程见图4 ( 忽略电机的损耗) 。 
在时刻 t 1 ，A T < - - e r a ，r e 变为 “ 1 ”态。在  1 
作用下， 电机接通非零电压空间矢量( 这一电压空间
矢量由位置信号给出) ，使定子磁链向前旋转，0 
角增大，   上升，△ 丁增大。磁链作为对应电压的积
分，其增量△  是按恒定的斜率上升的。到时刻 ， 
△  上升到容差的上限+  ，即△  +  ，   变为 “ 0 ” 
态。在 T Q = 0的作用下，零电压空间矢量加到电机
上，定子磁链静止不动，   角减小，   下降，△ 丁减 
第 6期  夏长亮等：   永磁无刷直流电机直接转矩控制
帆 
— 
r 
t 
、 
f l 
^  ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ／   ： 
， 、   ， V  V V  V V  V V   ， 、 
]几n门几n   r ] r 
图 4 转矩两点式调节器的调节过程
Fi g ．4   Re g ul a t i o n  of   t o rq ue   p oi n t - t o- po i nt   r e g ul at or 
小。这个期间的△   保持水平不变，没有增长。再
到时刻 t   ，又重复时刻 t   的过程。由此可见，通过
合理选择 ，转矩调节器能够把转矩波动限制在规
定的容差范围内，达到转矩波动抑制的目的。 
4 ． 2 控制系统结构框图
永磁无刷直流电机的 DT C控制系统结构框图
如图5所示。 
图5中，n   为转速给定， n为电机的输出转速， 
为给定转矩，乃为电机的输出转矩。饱和非线性
单元的作用是： 当P I 调节器的输出超过最大给定转
矩  时，   =   ；当P I 调节器的输出小于零时， 
= 0 ；当 P I 调节器的输出在  与 0之间时， 
等于调节器的输出。 
L J 装 蛊 荤 凳 H   H   e  M   — 1 反 馈 单 元 『 l 逆 变 桥 广 1 …… 几 
图 5 永磁无刷直流电机 DT C控制系统结构框图
F i g ． 5   Bl o c k   d i a g r a m  f o r   DTC  o f   BLDCM
5 仿真及实验结果
5 ． 1  仿真结果
为验证上述方法的可行性， 在 Ma Ⅱ a b上，对系
统进行了建模与仿真。 
电机模型参数为：额定电压 U ~ = 3 6 V，额定转
速 ， z  3 6 0 0 r ／ r ai n ，额定转矩 T u - - - 0 ． 4 N． m。 
图 6为n   _ 3   6 0 0 r ／ mi n ，负载转矩 T F 0 ． 3 2 N． m， 
无控制算法时的转矩仿真波形图。 
图 7为 n g = 3   6 0 0   r ／ mi n ，最大给定转矩  = 
0 ． 8   N． m，调节器的容差A T = 0 ． 0 0 5   N． m，负载转矩
砰= o ． 3 2   N． m，采用DT C的转矩仿真波形图。 
图 8为 n g = 3   6 0 0   r ／ mi n ，最大给定转矩
0 ． 8   N． m，A T = O ． O 0 5   N． i n ，负载转矩由0 ． 3 2   N． i n突变
f   ／  瑚  砸  m  螋  ●   J   珊 
t ／ s 
图 6 无控制算法时的转矩仿真波形图
F ig ． 6   S i mu l a t io n   r e s u l t   o f   t o r q u e 
wi t hout   c o nt r o l   al go r i t hm
0． 00  0． Ol   0． O2  0． 03   0． 04  0． 05 
t ／ s 
图7 负载转矩恒定时的 D TC转矩仿真波形图
F i g ． 7   S i mu l a t io n   r e s u l t   o f   t o r q u e   wi t h   c o n s t a n t   l o a d 
O’ 9 
O． 7 
妄 。 一 5 
O· 3 
O． 1 
U  00  U． Ul   U   U2  U  03   0． 04  0  05 
f ， s 
图8 负载转矩突变时的 D T C转矩仿真波形图
F i g ． 8   S i mu l a t io n   r e s u l t   o f   t o r q u e   wi t h   s t e p   l o a d 
为0 ． 6 2 N· m，采用 DT C的转矩仿真波形图。 
5 ． 2 实验结果
本文以 T I 公司的 MS P 4 3 0 F 1 4 9单片机做为控
制芯片对样机进行控制，其硬件控制框图如图9所
图9 永磁无刷直流电机 DT C硬件控制框图
Fi g． 9   Ha r dwar e   c ont r o l   f r a me wor k
f orDTC  o f BLDCM
9   7   5   3   l 
O   O   O   O   O 
^ g． Z一 、  
1 0 8   中 国  电 机 工 程 学 报  第 2 8卷
示，所有控制算法均由软件实现。 
实验样机参数为：极对数 p - - 4 ，定子相电阻
尺  O ． 6 6   Q，有效电感 L - M- - O ． 1 4   mH，电势常数
k r - o ． 0 6 7   V ／ ( r a d ／ s ) ，额定电压 U N - - 3 6   V，额定转速
~ = 3 6 0 0 r ／ mi n ，额定转矩 T ~ - - O ． 4 N． i n 。 
图 1 O为n g = 3   6 0 0 d r f f l n ，负载转矩 T l - - O ． 3 N· m， 
无控制算法时的转矩实验波形图。 
图 l l为 r i g = 3   6 0 0   r ／ mi n ，最大给定转矩  = 
O ． 8   N． i n ，转矩调节器的容差A T = 0 ． 0 2   N． i n ，负载转
矩 T F 0 ． 3 N． i n ，采用 D T C的转矩实验波形图。 
图 1 2为  = 3   6 0 0   d mi n ，最大给定转矩  = 
O ． 8   N． i n ，转矩调节器的容差A T - - 0 ． 0 2   N． i n ，负载转
矩由O ． 1   N ． i n突变为O ． 4   N． i n ，采用 D T C的转矩实
验波形图。 
1 ． 8 
1 ． 4
阜 1 ． 0 
0． 6
0． 2
s   I   m^ J   1   1   肌
0． 0 0  0． 0l   0． 02  0． 0 3  0  04   0． 05 
t ／ s 
图l O 无控制算法时的转矩实验波形图
Fi g． 10   Ex pe r i me nt   r e s ul t   o f   t o r qu e 
wi t l l Out   c o nt r o l   a l g or i t hm
0． 9 
0· 7 
0— 5 
0- 3 
图 l 1 
Fi g． 11 
0  l 
。 
_ ● 
_ ● 
● … 
… - 
{   岫 i I I   i I l ， 6 6 I I I 8   删 蝴   …{   一 ， … 
… _ 
0． 00  0． 0l   0． 02   0． 03   0． 04  0． 05 
s 
负载转矩恒定时的DT C转矩实验波形图
Ex per i me nt   r e s ul t   of   t or que   wi t h  c ons t a nt   l o ad
0． 9 
0· 7 
百0   5 
0_ 3 
0． 1 
懒州  岫嗍
● ，●
脚   啡嘲 啪  懈 蝴  嘲
0． 0 0  0． 0l   0． 02   0． 03   0． 0 4  0． 05 
t ／ s 
图l 2 负载转矩突变时的 D TC转矩实验波形图
Fi g ．1 2   E~ e r ml e nt   r e s ul t   of   t o r que   wi t h  s t e p   l oa d
由图6 ~ 8的仿真结果和图1 O   1 2的实验结果表
明，该方法能够使电机以最大给定转矩起动，达到
稳态后能够较好地抑制电机的转矩波动，并且当负
载转矩突变时，电机具有非常快的响应速度。 
6 结论
永磁无刷直流电机的特殊性，使得在对其进行
DT C控制时， 可以略掉磁链观测部分以简化控制系
统的结构。同时由于 D T C对转矩的控制具有高动
态性，只要合理选择转矩两点式调节器的容差，便
可将永磁无刷直流电机的转矩波动抑制在规定的
范围内。仿真和实验结果表明，本文提出的方法简
单有效且具有较高的精度。