關(guān)于永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中開關(guān)表的應(yīng)用

摘要：本文討論了一種基于電壓矢量開關(guān)表的對(duì)于永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制的方法。由于永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的變化與定轉(zhuǎn)子磁鏈間夾角的正弦值成比例，所以可以通過盡可能的增加定子磁鏈的轉(zhuǎn)速獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。在直接轉(zhuǎn)矩控制里，兩相靜止坐標(biāo)系中劃分了六個(gè)扇區(qū)，定子電壓矢量的控制是通過選擇六個(gè)電壓矢量中的不同矢量來實(shí)現(xiàn)的。文章最后運(yùn)用仿真實(shí)現(xiàn)了該控制策略，仿真結(jié)果也顯示了直接轉(zhuǎn)矩控制方法的特點(diǎn)。

引言

永磁同步電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，特別是具有其他電機(jī)所無法比擬的高效率而得 到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。該電機(jī)多應(yīng)用于要求快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和高性能運(yùn)行的場(chǎng)合，而以往控 制永磁同步電機(jī)常采用電流控制方法。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型的高性能交流調(diào)速技術(shù)。

它應(yīng)用空間矢量的分析方法，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)（Band-Band控 制），直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。它省掉了復(fù)雜的矢 量變換，控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)處理的物理概念明確，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，對(duì)轉(zhuǎn)子 參數(shù)不敏感。本文將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的控制中直接控制電機(jī)的磁鏈和 轉(zhuǎn)矩，從而獲得起動(dòng)時(shí)間矩、響應(yīng)速度快的效果，文中對(duì)此進(jìn)行了仿真分析和驗(yàn)證。

1 PMSM 的數(shù)學(xué)模型

永磁同步電動(dòng)機(jī)中磁鏈、電流和電壓的矢量關(guān)系如圖 1 所示。其中dq 坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn) 子坐標(biāo)系上，轉(zhuǎn)子磁鏈的軸向?yàn)閐 軸的正向；定子磁鏈的方向?yàn)閤 軸的方向。當(dāng)忽略定子電 阻時(shí)，定轉(zhuǎn)子磁鏈夾角δ 定義為轉(zhuǎn)矩角。負(fù)載恒定且穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定轉(zhuǎn)子磁鏈將以同步速度 旋轉(zhuǎn)，δ 恒定；瞬態(tài)時(shí)，定轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度不同，δ 也隨之不斷變化。建立永磁同步電 機(jī)的數(shù)學(xué)模型，首先假設(shè)：

1）忽略電動(dòng)機(jī)鐵心的飽和；

2）不計(jì)電動(dòng)機(jī)中的渦流和磁滯損耗；

3）轉(zhuǎn)子無阻尼繞組。

故永磁同步電機(jī)的電壓、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

由上式可知，PMSM 的輸出轉(zhuǎn)矩由兩部分組成：第一項(xiàng)為永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩；第 二項(xiàng)為凸極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。當(dāng)定子磁鏈為一恒定值時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)矩角的變化而 變化。又由于電機(jī)機(jī)械時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于其電磁常數(shù)，亦即電機(jī)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度較轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)速度容易改變，因而轉(zhuǎn)矩角的改變可通過改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和方向得以實(shí)現(xiàn)。所以 要實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制，可以再保持定子磁鏈幅值不變的情況下，控制定轉(zhuǎn)子 此聯(lián)之間的夾角。

2 電壓矢量的選擇

在直接轉(zhuǎn)矩控制中，電壓空間矢量是一個(gè)非常重要的物理量。逆變器的六個(gè)工作電壓狀 態(tài)，給出六個(gè)不同方向的運(yùn)動(dòng)電壓空間矢量，它們周期性的順序出現(xiàn)，相鄰兩個(gè)矢量之間相 差60°，電壓空間矢量幅值不變。兩個(gè)零開關(guān)狀態(tài)給出兩個(gè)零電壓空間矢量，它們位于六邊 形的中心。適當(dāng)?shù)倪x擇電動(dòng)機(jī)的空間電壓矢量，可以使磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓形。電壓空 間矢量的選取原則是該矢量能使定子磁鏈在一個(gè)控制周期內(nèi)改變盡可能大的角度，即轉(zhuǎn)矩變 化最大。忽略定子電阻，則定子磁鏈與輸入電壓的關(guān)系為如式3-1。

這表明可以通過控制電機(jī)的輸入電壓US，使得定子磁鏈按照一定的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)， 從而達(dá)到控制磁鏈的目的。

考慮到不同的電壓矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的作用及所處的區(qū)間不同，可得如表3-1所示的電 壓矢量開關(guān)選擇表。其中Ф=1，表示實(shí)際磁鏈小于參考磁鏈；λ=1，表示真實(shí)轉(zhuǎn)矩小于參考 轉(zhuǎn)矩；當(dāng)Ф=0或λ=0時(shí)反之。

3 仿真分析

由以上仿真結(jié)果可知，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)準(zhǔn)確、迅速。在磁場(chǎng)已經(jīng)建立的情況下，轉(zhuǎn)矩響 應(yīng)幾乎不需要時(shí)間，突加負(fù)載后，轉(zhuǎn)矩也能較快地跟隨負(fù)載轉(zhuǎn)，磁鏈在起動(dòng)時(shí)很快建立起來， 達(dá)到額定磁鏈后可以在動(dòng)、靜態(tài)過程中近似保持恒定。轉(zhuǎn)速響應(yīng)既保證了動(dòng)態(tài)時(shí)快速性，又 保證了靜態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性。

結(jié)束語

本文分析了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的工作原理進(jìn)行了 介紹，并構(gòu)造了仿真模型，對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字仿真。仿真結(jié)果表明，該方法具 有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。但是針對(duì)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制還有許多問題有待深入，如 弱磁控制，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大等。