【正文】 MsMssindduωtiLiR ??? ?? ( 5 68 ) TsffsMssTsco s uωiLωiR ??? ?? ( 3 6 9 ) 由 式 (5 6 8 ) 和 式 (5 69 ) 可以看出，在定子磁場定向 MT 軸系中構(gòu)成的矢量控制中，控制的是Mi 和Ti 。 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 2 ) 和 式 (5 6 3 ) ，但與直接轉(zhuǎn)矩控制不同的是，選擇的控制變量已為定子電流分量Mi 和Ti 。 相同的是，電壓控制方程 式 (5 6 8 ) 和 式 (5 6 9 ) 間也存在耦合，仍然是一組非線性方程。 50 50 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 50 基于定子磁場定向的 矢量 控制與直接轉(zhuǎn)矩控制相比，重要的區(qū)別還在于前者需要進(jìn)行矢量變換，為 進(jìn)行磁場定向， 需要時刻檢查定子磁鏈?zhǔn)噶縮ψ 的空間相位 。 在如圖 3 36 所示的矢量控制系統(tǒng)中，是通過檢測轉(zhuǎn)子磁極位置r? 和估計負(fù)載角sf? 來確定 其 相位的，顯然這樣增加 了 控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和影響控制系統(tǒng)的快速性。 51 51 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 51 直接轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)子磁場矢量控制 對于面裝式 P MSM ，根據(jù)圖 5 1 ，可將直接轉(zhuǎn)矩控制方程 (5 5) 表示為 qfssfsfse1 sin1?????LpLpt?? ( 5 70 ) 式中，q? 是sψ 的 q 軸分量。 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 。 這說明，直接轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)子磁場矢量控制具有內(nèi)在聯(lián)系。 52 52 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 52 由圖 5 1 可以看出 ，在直接轉(zhuǎn)矩控制中，控制定子磁鏈sψ 和 負(fù)載角sf? ，實際 是 在改變q? ，也就是在改變轉(zhuǎn)矩電流qi ； 反之 ，在轉(zhuǎn)子磁場矢量控制中， 控制qi 也就相當(dāng) 于改變定子磁鏈sψ 和 負(fù)載角sf? 。 事實上，對于面裝式 P MS M 而言，電磁轉(zhuǎn)矩可看成是電樞磁場ssiL與轉(zhuǎn)子磁場fψ 相互作用的結(jié)果。 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。 因為電磁轉(zhuǎn)矩是由于交軸電樞反應(yīng)而生成的，所以無論是基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制還是直接轉(zhuǎn)矩控制，對電磁轉(zhuǎn)矩控制的實質(zhì)皆是對交軸電樞反應(yīng)的控制，只是控制的方式和選擇的控制變量不同而已。 53 53 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 53 直接轉(zhuǎn)矩控制選擇了s? 和sf? 為控制變量，可以直接由su 來 控制sψ 的幅值和速度sω ( 實際 在 控制sf? ) ，進(jìn)而可以直接控制轉(zhuǎn)矩，所以這種控制方式稱為直接轉(zhuǎn)矩控制。 其特點和優(yōu)勢是控制 可 在 A B C 軸系 內(nèi) 進(jìn)行，不需要進(jìn)行矢量變換 ( 坐標(biāo)變量 ) ，使控制系統(tǒng)得以簡化， 通過外加電壓矢量 又可使轉(zhuǎn)矩快速變化，因此 提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。 但 是 ， PM SM 自身是一個高階、多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，直接轉(zhuǎn)矩控制由于采用了直接控制 PMSM 的方式，因此不能改變這種非線性特征， 轉(zhuǎn)矩控制 仍是一種非線性控制 ，且轉(zhuǎn)矩控制與定子磁鏈控制間存在耦合 。 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 。 盡管可以采用滯環(huán)比較控制，利用滯環(huán) 控制的特點，充分體現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)勢，但畢竟改變不了控制對象的非線性屬性。 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。對轉(zhuǎn)矩控制而言，它不是直接去控制 P MSM 自身，而是在沿轉(zhuǎn)子磁場定向的 dq 軸系內(nèi)，先將 P MSM 變換為一臺 等效直流電動機(jī)，這樣就將對P MS M 的轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)換和等同于對一臺 等效 直流電動機(jī)的控制，有效解決了轉(zhuǎn)矩控制中的非線性和耦合問題。 與直接轉(zhuǎn)矩控制相比，這是兩者本質(zhì)上的差別。正因如此，才使得由P MS M 構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)可以獲得與直流伺服系統(tǒng)相媲美的控制品質(zhì)。 但是，這種轉(zhuǎn)矩控制是在 dq 軸系內(nèi)完成的，控制變量為 dq 軸系電流di 和qi ，尚需通過矢量變換 ( 坐標(biāo)變換 ) 將 dq 軸系控制變量變換為實際電動機(jī) A BC 軸系的 控制變量 ， 將等效的他勵直流電動機(jī)還原為實際的 P MS M 。 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。 55 55 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 55 直接轉(zhuǎn)矩控制仿真 舉 例 基于永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理，在 MA T L A B 環(huán)境下，利用 SI MU L I N K 仿真工具，搭建基于永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型，整體設(shè)計框圖如圖 5 13 所示。該仿真模型主要分為電動機(jī)模塊和控制系統(tǒng)兩大部分。根據(jù)模塊化建模思想，控制系統(tǒng)被分割為各個功能獨立的子模塊，其中主要包括：逆變器模塊 ， 坐標(biāo)變換模塊 ， 磁鏈估算模塊 ， 轉(zhuǎn)矩估算模塊 ， 滯環(huán)比較模塊 ， 位置估算模塊和區(qū)間判斷模塊等。 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。 圖 5 1 4 逆變器模塊 58 58 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 58 磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 估計 是在兩相靜止軸系 DQ 軸系 內(nèi) 進(jìn)行的，為此需要 進(jìn)行 坐標(biāo)變換把三相電壓和電流變換到 DQ 軸上，具體仿真框圖如圖 5 15 ～ 圖 5 1 8 所示。 圖 5 1 5 3 / 2 坐標(biāo)變換模塊 圖 5 16 定子兩相電壓模塊 59 59 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 59 圖 5 17 定子磁鏈估算模塊 圖 5 18 轉(zhuǎn)矩估算計算模塊 60 60 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 60 滯環(huán)比較環(huán)節(jié)包括磁鏈滯環(huán)比較和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較 ，如圖 5 19 所示 。磁鏈滯環(huán)比較環(huán)節(jié)為估 計 定子磁鏈幅值與給定磁鏈幅值進(jìn)行比較，輸出磁鏈控制信號 φ ；轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較環(huán)節(jié)為轉(zhuǎn)矩估算值與轉(zhuǎn)矩給定值進(jìn)行比較，其中轉(zhuǎn)矩給定值為速度PI 調(diào)節(jié)器輸出，比較器輸出比較值 τ ，當(dāng)給定值比實際值大時狀態(tài)為 1 ，否則狀態(tài)為 0 ， 通過引入變量 λ =2 φ + τ +1 ，并結(jié)合區(qū)間判斷模塊輸出的扇區(qū)號 Sn輸入逆變器模塊。 圖 5 19 滯環(huán)比較模塊 61 61 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 61 位置估算模塊依據(jù)定子磁鏈在 DQ 坐標(biāo)軸上的分量 ψD和 ψQ的輸入來判別定子磁鏈所在的位置s? ，如圖 5 20 所示 。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 20 位置估算模塊 62 62 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 62 區(qū)間判斷模塊主要是由 位置估算模塊判別的定子磁鏈所在位置S? 及 空間電壓矢量關(guān)系確定的扇區(qū)號決定，兩者結(jié)合得區(qū)間判斷號 Sn，其仿真模型如圖 5 21 所示。 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 m2，粘滯系數(shù) B =0 ，極對數(shù) p =2 ，控制器： | ψs|＝ 1 Wb 匝， ωr*=80rad/ s 。 將 磁鏈滯環(huán)范圍設(shè)為 [ 05 ， 0. 0 05] ，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)范圍設(shè)為 [ ， 0. 05] 。 系統(tǒng) 的定子磁鏈圓形軌跡、 轉(zhuǎn)速 和 轉(zhuǎn)矩 響應(yīng)曲線如圖 5 22 ～圖 5 24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。 64 64 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 64 0 . 01 0 . 02 0 . 03 0 . 04 圖 5 22 定子磁鏈軌跡曲線 5 23 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線 0 . 01 0 . 02 0 . 03 0 . 04t 圖 5 24 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線 65 65 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 65 習(xí)題與思考題（略）