永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究

龍?zhí)┬?劉文生

【摘?要】永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、其工作效率比較高以及擁有調(diào)速范圍比較寬的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域中，如機(jī)械制造工業(yè)、電力系統(tǒng)以及航空航天等領(lǐng)域中。本文是以永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)為研究對(duì)象，深入分析這種新型高性能的交流調(diào)速技術(shù)。從空間矢量原理出發(fā)，介紹調(diào)速系統(tǒng)中的三種坐標(biāo)系和變換理論。將空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)引入永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，解決傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中磁鏈、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】永磁同步電機(jī);直接轉(zhuǎn)矩控制;空間矢量;轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

Abstract：The structure of the permanent magnet synchronous motor is relatively simple，its working efficiency is relatively high，and it has the advantages of a wide speed range.It is widely used in various fields，such as machinery manufacturing industry，power system and aerospace.This article takes the direct torque control technology of permanent magnet synchronous motor as the research object，and deeply analyzes this new high-performance AC speed regulation technology.Starting from the space vector principle，three coordinate systems and transformation theories in the speed control system are introduced.The space vector pulse width modulation technology is introduced into the direct torque control system of the permanent magnet synchronous motor，which solves the problems of flux linkage and large torque ripple in the traditional direct torque control technology.

key words：Permanent magnet synchronous motor;direct torque control;space vector;torque ripple

0 引言

電機(jī)是以磁場(chǎng)作為媒介進(jìn)行機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換電磁裝置。永磁同步電機(jī)是通過(guò)轉(zhuǎn)子由永磁體替代電線圈勵(lì)磁來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，通常永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要有表面貼裝式、嵌入式 以及內(nèi)埋式等。由于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)的不同引起電機(jī)凸極系數(shù)差別較大，因此，相應(yīng)的控制方法也各不相同。但是，永磁同步電機(jī)相對(duì)傳統(tǒng)異步電機(jī)相比來(lái)說(shuō)，同步電機(jī)具有節(jié)電性、較強(qiáng)的承受力、轉(zhuǎn)矩慣性較高以及控制技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了變頻調(diào)速、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制三個(gè)個(gè)階段。

1 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

1.1 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)特點(diǎn)

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制之后的又一高性能的交流電機(jī)控制方法，直接轉(zhuǎn)矩控制把轉(zhuǎn)矩作為被控量，不涉及復(fù)雜的電機(jī)解耦，響應(yīng)速度快。可以解決大范圍的矢量控制中計(jì)算復(fù)雜、特性易受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響、實(shí)際性能難以達(dá)到理論分析結(jié)果等問(wèn)題。直接轉(zhuǎn)矩控制直接計(jì)算與控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用磁場(chǎng)定向，借助離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)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。

2 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)系統(tǒng)研究

2.1 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論

永磁同步電機(jī)中的磁鏈、電流和電壓的矢量關(guān)系如圖2-1所示。

其中轉(zhuǎn)子磁鏈的軸向?yàn)閐軸的正方向，d軸與A相繞組的夾角為。定子磁鏈的方向?yàn)檩S的正方向。并將其定義x軸與d軸的夾角為轉(zhuǎn)矩角，x軸超前d軸時(shí)，轉(zhuǎn)矩角為正。在忽略定子電阻的情況下，轉(zhuǎn)矩角為功角。當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子磁鏈都以同步速旋轉(zhuǎn)。所以，在恒定負(fù)載的時(shí)候轉(zhuǎn)矩角為恒定值。當(dāng)電機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩角則因定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的不同而不斷改變。

2.3 空間電壓矢量調(diào)制

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生和改變與定、轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角密切相關(guān)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈位置不斷變化，定子磁鏈也需要做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)使用如圖2-2所示的控制主電路，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的定子磁鏈。

電機(jī)的端電壓由開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)控制分別替代三組互鎖的開(kāi)關(guān)器件，同一橋臂的上下管互鎖，分別使用三個(gè)單刀雙投開(kāi)關(guān)、和。

為了根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的輸出信號(hào)選擇合適的空間電壓矢量的角平分線作為分區(qū)的邊界。通?？梢怨ぷ魇噶繉⒖臻g分成了六個(gè)扇區(qū)，用表示，其中i=1～6來(lái)表示這6個(gè)扇區(qū)，如圖2-3所示。

在忽略定子電阻壓降時(shí)，定子磁鏈將沿輸入空間電壓矢量的方向，以正比與輸入電壓的速度移動(dòng)。因此，適當(dāng)?shù)仉姍C(jī)的空間電壓矢量，可以使磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓。為了保持磁鏈幅值，可以根據(jù)磁鏈偏差大小和磁鏈的具體方向，適當(dāng)選取空間電壓矢量達(dá)到控制磁鏈的目的，并且零矢量在一個(gè)控制周期內(nèi)，不會(huì)對(duì)磁鏈產(chǎn)生影響，磁鏈將不發(fā)生移動(dòng)。

3 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)組成

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主要組成部分分別為：逆變器模塊、轉(zhuǎn)矩與磁鏈控制模塊以及開(kāi)關(guān)表等，結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。

3.1 逆變器模塊

直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)電機(jī)的控制是通過(guò)對(duì)逆變器輸入不同的空間電壓矢量實(shí)現(xiàn)的，而空間電壓矢量選擇是通過(guò)開(kāi)關(guān)表來(lái)實(shí)現(xiàn)，直接轉(zhuǎn)矩控制是將控制策略和逆變器一體化設(shè)計(jì)。

3.2 轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制模塊

直接轉(zhuǎn)矩控制是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制，通過(guò)這個(gè)控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

3.3 開(kāi)關(guān)表

開(kāi)關(guān)表根據(jù)兩個(gè)滯環(huán)比較器的輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)空間電壓矢量的選擇，這是直接轉(zhuǎn)矩控制中最核心的控制部分，開(kāi)關(guān)表定義的質(zhì)量，直接影響控制系統(tǒng)的性能。

3.4 坐標(biāo)變換與扇區(qū)判斷

凸極式永磁同步電機(jī)的磁路和其轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，如果采取的定子定向的計(jì)算方法，側(cè)磁鏈和轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)矩角的函數(shù)，方程復(fù)雜，不易計(jì)算。一般采用兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下計(jì)算的方法，通過(guò)三相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換來(lái)計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的分析，研究空間電壓矢量，并根據(jù)空間電壓矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的影響，以及與開(kāi)關(guān)表的關(guān)系，深入分析直接轉(zhuǎn)矩理論在永磁同步電機(jī)上運(yùn)用的可行性，減短永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制周期過(guò)長(zhǎng)，電流上升過(guò)大，以及減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，為將來(lái)深入研究做好堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

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（作者單位：大連交通大學(xué)）