【導讀】直接轉(zhuǎn)矩控制是近年來應(yīng)用比較廣泛的一種控制策略。它的優(yōu)點包括控制原理直。觀明了，操作簡單快捷，具有良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性。運行的可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，所以在交流伺服電機中所處的地位越來越高。發(fā)展趨勢，本文重點研究了把直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用在永磁同步電機上的控制效果。點，還有永磁同步電機的分類、結(jié)構(gòu)及其在不同坐標系下的數(shù)學模型。析歸納，最后得出結(jié)論。結(jié)論表明，永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制具有較好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，這就確定了改善永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時候的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)將成為今。調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵問題在于維持氣隙磁場，控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩。同步電機因轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度與定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度相同而得名。這為大量生產(chǎn)永磁同步電機打下了物質(zhì)基礎(chǔ)。它放棄了傳統(tǒng)矢量控制解耦后再分別控制被控量的思想。柵極雙極型晶體管IGBT為代表的復合型器件得到了迅猛的發(fā)展。IGBT是由BJT和MOSFET復合而成的。作用，使電路的控制精度大幅提高。傳統(tǒng)的PWM控制技術(shù)主要是靠

　　

【正文】 ，并且與給定的定子磁鏈值作比較，將誤差輸入到滯環(huán)比較器中。然后，把比例積分環(huán)節(jié)輸出的給定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩估計環(huán)節(jié)輸出的實際轉(zhuǎn)矩作比較，把它們的誤差輸入到滯環(huán)比較器中。將兩個滯環(huán)比較器的輸出值和區(qū)域判斷值作為開關(guān)表的輸入量，得出一組控制脈沖，去控制三相電壓逆變器的通斷，從而控制三相永磁同步電機。之后再一次檢測電機的轉(zhuǎn)速，電流和電壓，重復上述步驟，不斷循環(huán)。這就是永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的過程。 逆變器與開關(guān)表 逆變器和開關(guān)表都是三相永磁同步電機 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的重要組成部分。 在三相永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，我們選擇三相橋式電壓逆變器來實現(xiàn)逆變功能。其結(jié)構(gòu)如圖 42，它的特點是每一支橋臂都導通 180176。， a、 b、 c 各相導通的電角度相差 120176。，同一相的上下兩個橋臂交替導通。在任意一個時間里都有 3 支橋臂導通，上下兩橋臂交替換流。所以三相橋式電壓源逆變電路的換流方式為縱向換流。我們可以假定6個空間矢量去表示三相橋式電壓源逆變電路的 6種狀態(tài)。它們分別是 U1(100)， U2(110)，U3(010)， U4(011)， U5(001)和 U6(101)。 其中第一位數(shù)字代表 a 相，第二位數(shù)字代表 b相，第三位數(shù)字代表 c 相。 1代表導通， 0 代表關(guān)斷。 在這 6 個空間矢量的基礎(chǔ)上，再引入兩個無意義的零矢量，就是圖 43 的空間矢量的分布情況。兩個零矢量 U7(000)和 U8(111)位于坐標原點，其余的 6 個矢量把坐標平面分成 6 等份，每一等份是 60176。 在由電壓空間矢量分布圖可知，在每一個區(qū)域中，我們能用兩個相鄰的電壓矢量來控制定子磁鏈的值。從而使開關(guān)頻率最小，盡量減小電磁轉(zhuǎn)矩的脈動。例如在 60176。 — 120176。的區(qū)域中，定子磁鏈正在逆時針旋轉(zhuǎn)。這時，就可以用空間電壓矢量 U3 增加 定子磁鏈的值，用空間電壓矢量 U4 減小定子磁鏈的值。 19 圖 42 圖 43 根據(jù)空間電壓矢量的控制理論，可以通過磁鏈的位置，滯環(huán)比較器輸出的磁鏈的值和轉(zhuǎn)矩的值，去確定應(yīng)用那一電壓矢量來控制三相橋式電壓源逆變電路 的通斷。這就是空間電壓矢量開關(guān)表的原理。 表 41 ψ τ θ θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ6 ψ=1 τ=1 U 2（ 110） U 3（ 010） U 4（ 011） U 5（ 001） U 6（ 101） U 1（ 100） τ=1 U 6（ 101） U 1（ 100） U 2（ 110） U 3（ 010） U 4（ 011） U 5（ 001） ψ=1 τ=1 U 3（ 010） U 4（ 011） U 5（ 001） U 6（ 101） U 1（ 100） U 2（ 110） τ=1 U 5（ 001） U 6（ 101） U 1（ 100） U 2（ 110） U 3（ 010） U 4（ 011） 若ψ =1，說明實際的定子磁鏈小于給定的磁鏈，此時應(yīng)增大定子磁鏈。若ψ =1，說明實際的定子磁鏈大于給定的定子磁鏈，此時應(yīng)減小定子磁鏈。同理可得轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)方法。 定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的測定 定子磁鏈的值在永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中，作用舉足輕重。所以測定定子磁鏈的 20 方法的選擇尤為重要。定子磁鏈的測定主要有兩種方法，分別是電流模型測定法和 電壓模型測定法。 圖 (44) 電流模型測定法。把在 αβ坐標系下的兩個電流分量輸入到 αβ坐標系與 dq 坐標系的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中，再由在 dq 坐標系下的磁鏈方程確定定子磁鏈的 d 軸分量和 q 軸分量。然后在分別把兩個分量經(jīng)過 dq 坐標系與 αβ 坐標系的轉(zhuǎn)換， 得到定子磁鏈 α 軸的分量和 β 軸的分量。這種定子磁鏈的測定方法運用到一次 Park 變換和一次 Park 的逆變換，計算量比較大，操作起來比較麻煩，所以這種方法的應(yīng)用并不廣泛。下面介紹一種運算相對方便簡單的定子磁鏈的測定方法，也是本人在仿真中使用到的一種方法。它就是電壓模型測定法。 圖 45 ()s s s sU i R dt? ? ?? ??? (41) ()s s s sU i R dt? ? ?? ??? (42) 根據(jù)式 (41)和 (42)可以建造如圖 45的模型。由圖可知，只要經(jīng)過兩次積分，就可以把測得的定子電壓和電流的 α 軸的分量和 β 軸的分量轉(zhuǎn)化為定子磁鏈的 α 軸的分量和 β軸的分量。與電力模型測定法相比，省去了兩次坐標轉(zhuǎn)換，使計算變得簡單，大大提高了運算速度。所以電壓模型測定法應(yīng)用相當廣泛，且特別適合用于高速控制的場合。 電 磁轉(zhuǎn)矩的測定，電磁轉(zhuǎn)矩是永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中必要的檢測量。但是在實 21 際操作中，很難直接測定電磁轉(zhuǎn)矩的值。所以，就通過間接測量的辦法，去求得電磁轉(zhuǎn)矩的值。根據(jù)式 (36)可知，只要測出定子電流的 α軸的分量和 β軸以及用電壓模型測定法測出的定子磁鏈的 α軸的分量和 β軸，就能求得電磁轉(zhuǎn)矩。 圖 46 本章小結(jié) 本章重點介紹了永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的原理和系統(tǒng)構(gòu)造。在上一章講到的永磁同步電機的數(shù)學模型的基礎(chǔ)上講述了三相永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中幾個重要的構(gòu)成部分，如三相橋式逆變器，空間電壓矢量開關(guān)表，定子磁鏈測定環(huán)節(jié)和電磁轉(zhuǎn)矩測定環(huán)節(jié)的原理，為下一章的軟件仿真打下基礎(chǔ)。 22 第五章 結(jié)論 永磁同步電機運行可靠，結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)投入成本較低，特別適合于用在小容量的場合上，在交流伺服電機中占據(jù)著重要地位 。 直接轉(zhuǎn)矩控制是在矢量控制策略后又一應(yīng)用廣泛的策略，它放棄了矢量控制中解耦的思想，沒有通過控制定子電流，定子磁鏈等變量去間接控制電機，而是通過直接控制電機的轉(zhuǎn)矩來控制其轉(zhuǎn)速。研究這種控制策略應(yīng)用在永磁同步電機上的效果，就是本文的主要研究任務(wù)。從仿真結(jié)果可以看出，永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制具有簡單、直觀、快捷等優(yōu)點。轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和磁鏈在很短時間內(nèi)就能到達穩(wěn)定狀態(tài)，大致符合要求。 但是從轉(zhuǎn)矩仿真波形看出，永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的低速性能不是很好，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性不高。所以改善永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時候的轉(zhuǎn)矩響應(yīng) 就是今后的發(fā)展方向。其中有幾種典型的方法，如改善空間電壓矢量開關(guān)表，用其他技術(shù)代替空間電壓矢量開關(guān)表和將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制與直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合。 23 參考文獻 〔 1〕 劉軍 ,劉丁 ,吳浦升 ,白華煜 . 基于模糊控制調(diào)節(jié)電壓矢量作用時間策略的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真研究 〔 J〕 .中國電機工程學報 ,2021,33(10). 〔 2〕 李光葉 ,萬健如 ,劉英培 ,沈虹 ,袁臣虎 .基于模糊零矢量永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制 〔 J〕 .電力自動化設(shè)備 ,2021, 29(9). 〔 3〕 張益男 ,劉國海 .永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真與實驗研究 〔 J〕 .微特電機， 2021,(2). 〔 4〕 李耀華 .劉衛(wèi)國 ,永磁同步電機矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制比較研究 〔 J〕 .電氣傳動 ,2021,40(10). 〔 5〕 田淳 . 無位置傳感器同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制理論研究與實 踐 〔 M〕 .南京航空航天大學， 2021. 〔 6〕 李耀華 ,劉衛(wèi)國 .表面式 PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制電壓矢量選擇策略 〔 J〕 .電力電子技術(shù) ,2021,44(9). 〔 7〕 李耀華 .劉衛(wèi)國 ,永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制不合理轉(zhuǎn)矩脈動 〔 J〕 .電機與控制學報 ,2021， 10（ 2） . 〔 8〕 H. Ghassemi, very fast direct torque control for interior permanentmag synchronous motors start up〔 J〕 . Energy Conversion and Anagement , 2021,46. 〔 9〕 金愛平 ,基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計 〔 J〕 .科學創(chuàng)新導報， 2021（ 3） . 〔 10〕 朱衛(wèi)華 .楊向宇 ,永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制零矢量插入新方法 〔 J〕 .機電工程技術(shù) ,2021,34(11). 24