【正文】 第 5章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 2 2 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 5章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 2 第 5 章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 55 .. 11 控控 制制 原原 理理 與與 控控 制制 方方 式式 55 .. 22 最最 優(yōu)優(yōu) 控控 制制 與與 弱弱 磁磁 控控 制制 55 .. 33 直直 接接 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 矩矩 控控 制制 與與 矢矢 量量 控控 制制 的的 聯(lián)聯(lián) 系系 與與 比比 較較 55 .. 44 直直 接接 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 矩矩 控控 制制 仿仿 真真 舉舉 例例 3 3 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 5章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 3 5 .1 控制原理與控制方式 55 .. 11 .. 11 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 矩矩 生生 成成 與與 控控 制制 55 .. 11 .. 22 滯滯 環(huán)環(huán) 比比 較較 控控 制制 與與 控控 制制 系系 統(tǒng)統(tǒng) 55 .. 11 .. 33 磁磁 鏈鏈 和和 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 矩矩 估估 計計 55 .. 11 .. 44 電電 機(jī)機(jī) 參參 數(shù)數(shù) 和和 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 速速 影影 響響 55 .. 11 .. 55 預(yù)預(yù) 期期 電電 壓壓 直直 接接 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 矩矩 控控 制制 4 4 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 5章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 4 5 .1 .1 轉(zhuǎn)矩生成與控制 1 ． 面裝式 P M S M 如圖 所示，在面裝式 P M SM 中，存在著 三個磁場 ，一個是永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場fψ ，稱為 轉(zhuǎn)子磁場 ，一個是定子電流矢量si 產(chǎn)生的 電樞磁場ssiL ， 另 一個是由兩者合成而得的 定子磁場sψ 。即有 fsssψiψ ?? L ( 5 1) 電磁轉(zhuǎn)矩的生成可看成是兩個磁場相互作用的結(jié)果 ， 可認(rèn)為是由轉(zhuǎn)子磁場與電樞磁場相互作用生成的 。 圖 5 1 面裝式 P MS M 中的定子電流和磁鏈?zhǔn)噶? 5 5 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 5章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 5 由式 ( 3 19 ) ， 可得 )(1ssfssfeiψiψ LLppt ???? (5 2) )(1 )(1ssssssssfseiψiiψLLpLLLpt????? ( 5 3) 利用式 (5 3) ，可進(jìn)行以定子磁場定向的 矢量控制 。 電磁轉(zhuǎn)矩還可看成是轉(zhuǎn)子磁場fψ 與定子磁場相互作用的結(jié)果，即有 sfsfssfse1 )(1ψψψiψ?????LpLLpt ( 5 4) 根據(jù)式 (5 4) ，可進(jìn)行 直接轉(zhuǎn)矩控制 。 6 6 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 5章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 6 將式 (5 4) 表示為 sfsfsesin1???Lpt ? ( 5 5) 式 (5 5) 中，轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縡ψ 的幅值不變，若能控制定子磁鏈?zhǔn)噶縮ψ 的幅值為常值，電磁轉(zhuǎn)矩就僅與sf? 有關(guān)，sf? 稱負(fù)載角，通過控制sf? 可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，這就是 P MS M 直接轉(zhuǎn) 矩控制基本原理 。 在 A BC 軸系中，定子電壓矢量方程為 tRddssssψiu ?? ( 5 6) 若忽略定子電阻sR 的影響，則有 tddssψu ? ( 5 7) 式 (5 7) 可 近似 表示為 t????ssuψ (5 8) 7 7 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 5章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 7 式 (5 8) 表明，在很短時間 t? 內(nèi)，矢量sψ 的增量sψ? 等于su 與 t? 的乘積，sψ? 的方向與外加電壓su 的方向相同，如圖 5 2 所示。 如圖 5 2 所示，定子磁鏈?zhǔn)噶縮ψ 為 sjsse?ψψ ? ( 5 9) 式中， tω?? dss? ，sω 為sψ 的旋轉(zhuǎn)速度。 圖 5 2 定子電壓矢量作用與定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E變化 8 8 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 5章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 8 將式 (5 9) 代入式 (5 7) ，可得 snsrssjssjeddsuuψψu ???? ωt? ( 5 10) 由式 (5 10) ，可有 tuddssrψ? 5 1 1) sssnψωu ? ( 5 12) 可 用 外加電壓su 來直接控制sψ ，利用其徑向分量sru 控制幅值sψ 的變化，而利用其 切 向分量snu 控制sψ 的轉(zhuǎn)速sω ，如圖 5 2 所示。 圖 5 2 中，負(fù)載角sfδ 可表示為 tωωδ )d (rssf ??? ( 5 13) 式 (5 1 3) 表明，若控制rsωω ? ，可使sfδ 增大，否則會使sfδ 減小。 9 9 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 5章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 9 在 很 短時間內(nèi)， 依靠snu 的 作用可使sψ 加速旋轉(zhuǎn) （ 因為電氣時間常數(shù)較小，所以這是可以實現(xiàn)的 ），而 這期間轉(zhuǎn)子速度尚來不及變化 （ 因為轉(zhuǎn)子機(jī) 電 時間常數(shù)要比電氣時間常數(shù)大得多 ） ，由此可拉大 負(fù)載角sfδ ， 若能同時保持sψ 不變，就可 使電磁轉(zhuǎn)矩增大 ； 反之，若在 這 短時間內(nèi)使sψ 反方向旋轉(zhuǎn)，可使sfδ 變小，電磁轉(zhuǎn)矩 便隨之減小。 由式 (5 12) ，可得 sssnddddψtωtu? ( 5 1 4) 式 (5 14) 表明，控制 切 向電壓snu 的作用速率，可以 快速 改變sψ 旋轉(zhuǎn)速度， 也 就可以 快速 改變 電磁轉(zhuǎn)矩 。 10 10 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 5章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 10 在直接轉(zhuǎn)矩控制中，可以在很短的時間內(nèi)突加足夠大的 切 向電壓，因此能夠快速改變電磁轉(zhuǎn)矩，提高了控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力。 由上述分析可以看出，就直接轉(zhuǎn)矩控制的原理和方式而言， P M SM與三相感應(yīng)電動機(jī)并沒有什么不同。兩者都是通過控制 定子磁鏈?zhǔn)噶糠岛?負(fù)載角來控制電磁轉(zhuǎn)矩，只是 P MS M 的負(fù)載角sfδ 為定子磁鏈?zhǔn)噶縮ψ 與轉(zhuǎn)子永磁勵磁磁鏈?zhǔn)噶縡ψ 間的相位 差 ，而三相感應(yīng)電動機(jī)的srδ 為定子磁鏈?zhǔn)噶縮ψ 與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縭ψ 間的相位 差 。 11 11 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 5章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 11 2. 插入式和內(nèi)裝式 P M S M 對于插入式和內(nèi)裝式 P M S M ， 由式 ( 3 57 ) 已知， 電磁轉(zhuǎn)矩方程為 ])([qdqdqfeiiLLipt ??? ? ( 5 1 5) 圖 5 3 為插入式和內(nèi)裝式 P MS M 的矢量圖。 圖 5 3 插入式和內(nèi)裝式 P M S M 矢量圖 12 12 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 5章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 12 圖 5 3 中，定子磁鏈?zhǔn)噶縮ψ 在 dq 軸系中的兩 個分量d? 和q? 可表示為 ddfdiL?? ?? (5 16) qqqiL?? ( 5 17) 還可以將d? 和q? 表示為 sfsdcos ??? ? (5 18) sfsqs in ??? ? (5 19) 將式 (5 18) 和式 (5 19) 代入式 (5 1 6) 和式 (5 17) ，可得 dfsfsdcosLψi?? ?? ( 5 2 0) qsfsqs inLψi?? (5 21) 13 13 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 5章 三相永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 13 將式 (5 20) 和式 (5 21) 分別代入式 (5 15) ，可得 ????????sf2sqdsfqsfqde2sin)(21sin1????? LLLLLpt － ( 5 22 a ) 或者 ???????? ???sf2sqdqdsfdsfe2sin2sin ?????LLLLLpt ( 5 2 2b ) 式 (5 22 a ) 和 (5 2 2b ) 表明，若控制s? 為常值，轉(zhuǎn)矩就僅與負(fù)載角sf? 有關(guān)，通過控制sf? 即可控制轉(zhuǎn)矩。對于面裝式 P MSM ，因有sqdLLL ?? ，式 (5 22 a ) 和式 (5 2 2b )便成為式 (5 5) 的形式。雖然插入式和內(nèi)裝式 P M SM 產(chǎn)生了磁阻轉(zhuǎn)矩，但是兩者直接轉(zhuǎn)矩控制原理相同。 電動機(jī)電磁功率可表示為 seeΩtp ? ( 5 2 3 ) 式中，sΩ 為機(jī)械角速