【正文】 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。 15 15 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 15 在圖 3 14 中，感應(yīng)電動勢矢量0e 超前fψ 90 176。 19 19 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 19 圖 55 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖 20 20 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 20 磁鏈和轉(zhuǎn)矩估計 無論是感應(yīng)電動機(jī)還是 P M SM ， 直接轉(zhuǎn)矩控制都是直接將轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈作為控制變量 ，滯環(huán)比較控制就是利用兩個滯環(huán)比較器直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差，顯然能否獲得轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的真實信息是至關(guān)重要的。 將式 (5 35) 代入式 (5 33) ，可得 srfsfMMsMssindd??ωuiRtiL ??? ( 5 36) 圖 5 7 定子磁場定向 MT 軸系 28 28 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 28 即有 pTeuRisMfMsM1)(1??? ( 5 37) 式中，sssRLT ? ，為定子時間常數(shù)；sfω 為sψ 相對fψ 的旋轉(zhuǎn)速度；Mfe 為fψ 在M 軸繞組中產(chǎn)生的運動電動勢，sffsfMfsin ?ψωe ? 。負(fù)載角的增量sfδ? 如圖 5 9 所示。 對于面裝式 P MSM ，轉(zhuǎn)矩方程為 qfeip ψt ? ( 5 53) 若使單位定子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大，應(yīng)控制 0d?i ，此時*sψ 應(yīng)為 2qs2f*s)( iLψ ??ψ ( 5 54) 考慮到式 (5 53) ，可有 2f*e2s2f*s???????????ptLψψ ( 5 55) 根據(jù)式 (5 55) ，可由轉(zhuǎn)矩參考值*et 確定定子磁鏈參考值*sψ 。 為使系統(tǒng)保持較高的動態(tài)響應(yīng)能力，必須保留較大的電壓冗余，令系數(shù) 1 f?k 就可以達(dá)到這個目的。如式 (5 59 ) 所示，直接轉(zhuǎn)矩控制選擇定子磁鏈s? 和負(fù)載角sf? 為控制變量 。 從機(jī)電能量轉(zhuǎn)換角度看，就轉(zhuǎn)矩生成而言，其實質(zhì) 就 是 由 )(jqqfi 引起的 交軸電樞反應(yīng)使氣隙磁場 ( 若忽略定子漏磁場，s? 就是氣隙磁場 )發(fā)生了 “ 畸變 ” ，這種畸變就表現(xiàn)在氣隙磁場軸線發(fā)生偏移，即負(fù)載角sf?發(fā)生了變化。 56 56 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 56 圖 513 永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真框圖 57 57 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 57 利用 Si m ul i n k 的查表模塊實現(xiàn)查表功能 ， 實現(xiàn)開關(guān)電壓矢量 us k由基本電壓矢量 UA， UB， UC通過三相橋式逆變器的 Sa， Sb， Sc這 3 個開關(guān)的狀態(tài)而定 ， 其仿真模塊如圖 5 14 所示。 由仿真波形可以看出 ， 在 ωr*=80r ad/ s 的參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)快速且平穩(wěn)， 起 動階段系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)矩恒定 ， 磁鏈滯環(huán)控制可以使磁鏈軌跡近似為圓形，達(dá)到 了 控制 磁鏈 幅值不變 的 要求。 由于必須進(jìn)行矢量變換 ( 坐標(biāo)變換 ) 和需要時刻 檢測轉(zhuǎn)子主磁極位置，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，也影響了伺服控制的快速性。 在 dq 軸系中，qsqiL?? ，于是可將式 (5 70 ) 表示為 qfeipt ?? ( 5 71 ) 式 (5 71 ) 是 基于轉(zhuǎn)子磁場定向的轉(zhuǎn)矩方程 。 46 46 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 46 若忽略定子電阻sR 的影響，式 (5 62 ) 和式 (5 6 3 ) 便于式 (5 1 1) 和式 (5 12 )具有相同的形式。若 |sψ |為恒值，Mu 近乎為零，外加電壓Tsu?u 。 37 37 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 37 最優(yōu)控制與弱磁控制 55 .. 22 .. 11 最最 大大 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 矩矩 // 電電 流流 比比 控控 制制 55 .. 22 .. 22 弱弱 磁磁 控控 制制 . 1 最大轉(zhuǎn)矩 / 電流比控制 在轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制中，將定子電流si 的分量di 和qi 作為控制 變 量， 電動機(jī)運行中的各種最優(yōu)控制是通過控制di 和qi 而實現(xiàn)的。 由于 在沿定子磁場定向的 MT 軸系中， 0T?? ， T 軸方向上不存在磁場，Ti 變化 不受任何阻尼作用，因此形成了沖擊電流，與此同時將會引起轉(zhuǎn)矩脈動。 例如， 采用 電壓模型可能每 2 5μs 完成一次磁鏈估計，而電流模型大約需要 1m s ， 這樣就不能在每一控制周期內(nèi)都能對電壓模型的估計結(jié)果進(jìn)行修正，但可以間斷性地予以修正。當(dāng)sψ 在其它區(qū)間時也按此原則選擇開關(guān)電壓矢量，由此可確定開關(guān)電壓矢量選擇規(guī)則，如表 5 1 所示。 14 14 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 14 在正弦穩(wěn)態(tài)下，srωω ? ，fs0?ωe ? ；在忽略定子電阻sR 情況下，sss?ωu ? ；且有dsdLωX ? ，qsqLωX ? ， Xd和 Xq分別為直軸同步電抗和交軸同步電抗 ；003 Ee ? ，ss3 Uu ? ，0E 和sU 分別為每相 繞組 感應(yīng)電動勢和外加電壓有效值。 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 。 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。 由式 (5 2 3 ) 和式 (5 2 4 ) ，可得 sfqd2ssfds0e2s i n112s i n ?????????????XXUmXUEmP ( 5 25) 此式與電機(jī)學(xué)中電勵磁三相凸極同步電動機(jī)的電磁功率表達(dá)式相同，只是對于 P M SM 而言，qdXX ? ，與電勵磁同步電動機(jī)相反。 此外，估計是否準(zhǔn)確，還取決于電動機(jī)參數(shù) Ld、 Lq和f? 是否與實際值相一致，必要時需要對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行在線測量或辨識。 由于同步電感sL 的影響，勵磁電流Mi 無論是增加還是減小都不會即刻跟蹤外加電壓Mu 的變化，這會影響磁鏈控制的快速性。 期望電壓矢量ref su 的幅值和相位角分別為 2Q ref2D refref suu ??u ( 5 4 5) ref sQ refref sar cs inuu?? ( 5 46) 34 34 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 34 由ref s? 可確定與ref su 相鄰的兩個非零開關(guān)電壓矢量ksu 和)1(s ?ku ，可以通過對ksu 和)1(s ?ku 的調(diào)制來獲取ref su ，即有 00b)1(sasref stttTkk????????uuuu ( 5 47) 式中，at? 和bt? 分別是ksu 和)1(s ?ku 的作用時間，0t? 是零電壓矢量0u的作用時間。 40 40 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 40 . 2 弱磁控制 在基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制中，可通過控制直軸電流di 來進(jìn)行弱磁，而在直接轉(zhuǎn)矩控制中，必須通過控制定子磁鏈來 實現(xiàn) 弱磁。如果采用電壓模型法估計 |sψ |，由于各種原因也會使估計結(jié)果產(chǎn)生偏差。 式 (5 6 7 ) 表明，轉(zhuǎn)矩控制是非線性的，且磁鏈控制和轉(zhuǎn)矩控制間存在耦合 ； 在轉(zhuǎn)子速度很低時，如果控制電壓過大，會使轉(zhuǎn)矩急劇變化，將會引起轉(zhuǎn)矩脈動。 若想獲得高品質(zhì)的控制性能，控制系統(tǒng)的設(shè)計仍是復(fù)雜而又困難 的 。首先由 ψD的正負(fù)確定定子磁鏈所在的象限，再由計算公式確定該定子磁鏈的具體位置，整個s? 的范圍為 [ π/ 2 ， 3 π / 2] 。 圖 5 21 區(qū)間判斷模塊 63 63 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 63 P MSM 參數(shù)設(shè)定：定子電阻 Rs= ，直、交軸等效電感Ld= Lq= 6H ，轉(zhuǎn)子磁 ψf= Wb ，轉(zhuǎn)動慣量 J =0 . 0008k g 54 54 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 54 基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制則不然， 其選擇了di 和qi 作為控制變量。 對比直接轉(zhuǎn)矩控制，可以看出，矢量控制雖然利用的是同一組定子電壓方程 (5 6