永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制及控制性能研究

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1、第五章永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制及控制性能研究矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是交流電機(jī)的兩種高性能控制策略，在永磁同步電機(jī)驅(qū)動控制中的應(yīng)用與研究己受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。為了能夠更好研究永磁同步電機(jī)的控制性能，提高永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，本章針對永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，從空間電壓矢量出發(fā)，在第四章建立永磁同步電機(jī)不同的坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制和空間電壓矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制的理論和實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，分析控制策略的正確性[24][30]。本文研究的轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺的恒轉(zhuǎn)矩控制方

2、式和慣量模擬控制方式，均采用空間電壓矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制策略對交流測功機(jī)（即永磁同步電機(jī)）進(jìn)行模擬加載。5.1永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論5.1.1永磁同步電機(jī)在x、y坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型將永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中磁鏈、電流和電壓矢量關(guān)系表示在圖5-1（即圖4-1）中所示，圖中定義為轉(zhuǎn)矩角，即定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角。d、q為與轉(zhuǎn)子磁場速度同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，d軸指向轉(zhuǎn)子永磁磁鏈方向；x、y為與定子磁場速度同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，x軸指向定子磁鏈方向。假設(shè)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)矩角即

3、為功角。當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子磁鏈都以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。因此，在恒定負(fù)載的情況下轉(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)速度不同而不斷變化[31][32]。圖5-1永磁同步電機(jī)坐標(biāo)系由圖5-1可推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩角的表達(dá)式為（5-1）式中：、：定子磁鏈在d、q坐標(biāo)系下的分量（Wb）；：轉(zhuǎn)子永磁磁鏈（Wb）；id、iq：定子電流is在d、q坐標(biāo)系下的分量（A）；Lq：定子電感的d軸分量，即交軸電感（H）；Ld：定子電感的q軸分量，即直軸電感（H）。將d、q坐標(biāo)系中物理量轉(zhuǎn)換到x、y坐標(biāo)系，可以得到（5-2）反變

4、換為（5-3）式中：F：可以代表電壓、電流、磁鏈；1．x、y參考坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式[33][34]由圖5-1可知（5-4）（5-5）式中：：定子磁鏈幅值。又由第四章的電磁轉(zhuǎn)矩Te的矢量形式表達(dá)式式中：is：定子電流（A）；：定子磁鏈（Wb）。綜合式(5-2)、(5-4)、(5-5)，將(5-2)代入電磁轉(zhuǎn)矩Te的矢量表達(dá)式可以得到x、y軸系的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式（5-6）式中：ix、iy：定子電流is在x、y坐標(biāo)系下的分量（A）；np：電機(jī)極對數(shù)。式(5-6)表明：如果定子磁鏈幅值恒定，那么轉(zhuǎn)矩正比于定子電流的y軸分量。2．

5、x、y坐標(biāo)系下的磁鏈表達(dá)式將式(5-3)的磁鏈變換式和電流變換式代入磁鏈方程的矩陣形式，即第四章的式(4-30)可得（5-7）式中：，：定子磁鏈在x、y坐標(biāo)系下的分量（Wb）。經(jīng)變換得（5-8）即（5-9）3．x、y坐標(biāo)系下的定子電流表達(dá)式[36][103]由于定子磁鏈定向于x軸，有，，求解式（5-9）可得x、y坐標(biāo)系下的定子電流表達(dá)式為（5-10）（5-11）將式(5-10)、式(5-11)代入式(5-6)得到d、q坐標(biāo)上的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為（5-12）由電機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可分為兩部分，前一部分為電機(jī)的電磁

6、轉(zhuǎn)矩，它由電樞交軸電樞反應(yīng)產(chǎn)生，后一部分為電機(jī)凸極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。對于本文中采用的隱極式永磁同步電機(jī)來講，Ld=Lq=Ls，轉(zhuǎn)矩中的磁阻分量為零，轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為（5-13）式中：：定子磁鏈相對于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；：轉(zhuǎn)矩角變化前一時(shí)刻的初值（rad）。從式(5-13)可知，當(dāng)定子磁鏈保持幅值恒定時(shí)，轉(zhuǎn)矩角從-90o變化到90o時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)矩角增大而增大，且轉(zhuǎn)矩角為90o時(shí)，轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大。對式(5-13)的兩邊求導(dǎo)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩在t=0時(shí)刻的增長率為（5-14）當(dāng)轉(zhuǎn)矩角在-90o~90o(電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行

7、工作區(qū)，此時(shí)電動狀態(tài)工作段為0o~90o)范圍內(nèi)變化時(shí)，式(5-14)右邊總為正，表明轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)矩角增加而增加[28][29]。5.1.2永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的又一種新型的具有高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)，它摒棄了矢量控制中電流解耦的控制思想，去掉了PWM脈寬調(diào)制器和電流反饋環(huán)節(jié)，通過檢測母線電壓和定子電流，直接計(jì)算出電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并利用兩個(gè)滯環(huán)比較器，直接實(shí)現(xiàn)對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制[29][37][38]。永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)如圖5-2所示。圖5-2永磁同

8、步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)工作原理及控制過程如下：（1）由傳感器檢測逆變器的直流母線電壓和電機(jī)的兩相電流，經(jīng)坐標(biāo)變換和系統(tǒng)控制規(guī)律，計(jì)算出電機(jī)反電勢，對其積分以實(shí)現(xiàn)對定子磁鏈的估計(jì)；（2）根據(jù)估計(jì)的磁鏈和實(shí)測電流來計(jì)算電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩；（3）根據(jù)d、q軸定子磁鏈來判別其位置所在的扇區(qū)；（4）電機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過光電編碼器獲得，也可通過定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度估