【正文】 隨后根據(jù)永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，分析了直接轉(zhuǎn)矩控制 原理 。 圖 34 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 22 本章 小 結(jié) 本章主要介紹了永磁同步電 機(jī)的控制 的基本原理。一個周期內(nèi)每個橋臂只有一個功率開關(guān)動作一次 ， 具有恒定的開關(guān)頻率 ， 實(shí)際是一種恒頻脈寬調(diào)制方式。這兩個控制器的輸出共同確定開關(guān)表的輸出值，控制逆變器的 pwm波輸出 。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，轉(zhuǎn)矩給定值與實(shí)際值之差落在轉(zhuǎn)矩控制器的滯環(huán)內(nèi)，轉(zhuǎn)速平均值也穩(wěn)定為同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)需要增大電磁轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)矩控制器輸出 1，逆變器輸出電壓所形成的空間電壓矢量使ψ s 向前轉(zhuǎn)動，由于電機(jī)的電磁時間常數(shù)小于機(jī)電時間常數(shù)，使定子磁鏈轉(zhuǎn)速快于轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)速，其結(jié)果是δ增大，增大了實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩。主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)速 pi 調(diào)節(jié)器、定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器、轉(zhuǎn)矩與磁鏈滯環(huán)比較控制器、最佳開關(guān)邏輯選擇表、逆變器等。該控制算法徹底避免了傳統(tǒng) DTC控制以及 SVM控制策略中磁鏈工作扇區(qū)的判別以及矢量合成等復(fù)雜的數(shù)據(jù)和邏輯計算 ， 特別適合于數(shù)字 PWM控制器件 ， 可以直接用于 DSP、 FPGA等控制平臺 。 在 控制過程中 ， 在每一個采樣周期開始 ， 非零導(dǎo)通時間所對應(yīng)的逆變器開關(guān)同時導(dǎo)通 ， 向 PMSM三相繞組供電 ， 然后根據(jù)每相繞組的通電時間控制對應(yīng)功率開關(guān)截止。為給定的定子磁鏈 ， 與實(shí)際定子磁鏈相比較后，經(jīng)磁鏈滯環(huán)控制器輸出磁鏈增減信號，定子磁鏈保持在一個規(guī)定的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)矩控制器輸出 0 時，將減小實(shí)際轉(zhuǎn)矩。以 和 分別作為轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值， te、ψ s 分別為利用α β坐標(biāo)系的電壓和電流估算得的轉(zhuǎn)矩和磁鏈實(shí)際值，在調(diào)速系統(tǒng)中 可作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出 ， 與實(shí)際轉(zhuǎn)矩比較后經(jīng)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器輸出轉(zhuǎn)矩增減信號。 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng) 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 34 所示 ， 是一個包含速度和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)系統(tǒng)。 一個周期內(nèi)定子參考電壓矢量 su 的作用時間 st 根據(jù)式 (8)和 (9)求得 ， 即 sssss s sddtdu u u ???? ?? ? ? （ 13） 上式中 ， 雖然 dψ s和 us都是空間矢量 ， 但是二者方向 相同 ， 所以直接采用其幅值進(jìn)行計算 。 逆變器開關(guān)時間控制模型 如圖 2所示 ，設(shè)定當(dāng)前采樣周期的定子磁鏈?zhǔn)噶繛?sn? ， 下一采樣周期的定子磁鏈?zhǔn)噶繛?ψ +1， 所以給定轉(zhuǎn)矩和估計轉(zhuǎn)矩之間存在誤差。 v1－ v6為逆變器輸出電壓的空間電壓矢量 ,當(dāng)施加電壓矢量與ψ s 夾角小于π /2 時 ， 將使磁鏈幅值增加 ； 當(dāng)大于π /2 時 ,磁鏈幅值減小當(dāng)電壓矢量超 前于ψ s 時，轉(zhuǎn)矩增加 ； 落后于ψ s 時 ， 轉(zhuǎn)矩減小。 θ 1－ θ 6的分布見圖 33。利用這一特點(diǎn)，可以采用具有零電壓矢量的新型開關(guān)表實(shí) 現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制，把零電壓矢量看成保持當(dāng)前轉(zhuǎn)矩的作用，利用零電壓矢量來減小轉(zhuǎn)矩的波動，以及減少逆變器開關(guān)次數(shù)和轉(zhuǎn)矩的脈動。θ s 旋轉(zhuǎn) ， 設(shè)逆時針方向?yàn)檎较?。 由于定子磁鏈的狀態(tài)比轉(zhuǎn)子磁鏈的狀態(tài)容易改變，因此可以通過控制定子磁鏈的狀態(tài)來改變轉(zhuǎn)矩角，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。 圖 31 PMSM 在不同坐標(biāo)系下的矢量圖 在建立 PMSM 數(shù)學(xué)模型前，先對 PMSM 作如下假設(shè)： 忽略電動機(jī)鐵心的飽和，不計電動機(jī)中的渦流和磁滯損耗，轉(zhuǎn)子無阻尼繞組，則永磁同步電機(jī)在 dq 坐標(biāo)系下的基本方程如下： d d d fLi???? (1) q q qLi? ? (2) d s d d r qU R i P? ? ?? ? ? (3) q s q q r dU R i P? ? ???? (4) 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 17 3 ()2e p d q q dT n i i???? (5) dre m rdtT T J B? ??? ? (6) 式中 ： ψ d、ψ q 為定子磁鏈 d、 q 軸分量； Ld、 Lq 為定子繞組 d、 q 軸等效電感； id、iq 為定子電流 d、 q 軸分量 ； Ud、 Uq 為定子電壓 d、 q 軸分量 ； ψ f 為轉(zhuǎn)子磁鏈 ； Rs 為定子繞組電阻 ； P 為微分算子 ； ω r 為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度 ； Te 為電磁轉(zhuǎn)矩； np 為電機(jī)極對數(shù)；Tm為負(fù)載轉(zhuǎn)矩； J 為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量； B 為粘滯系數(shù)。其中要用到與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的 dq坐標(biāo)系， d軸正方向?yàn)檗D(zhuǎn)子磁鏈方向；與定子同步旋轉(zhuǎn)的 xy坐標(biāo)系， x軸正方向?yàn)槎ㄗ?磁鏈方向；兩相α β靜止坐標(biāo)系，α軸正方向與電機(jī) a軸重合。 直接轉(zhuǎn)矩控制 原理 接轉(zhuǎn)矩控制是對定轉(zhuǎn)子磁鏈間的夾角也就是對轉(zhuǎn)矩角δ進(jìn)行控制。 所以直接轉(zhuǎn)矩控制策略具有控制方式簡單 、 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快 、 便于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn) 。 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 16 直接轉(zhuǎn)矩控制 繼矢量控制之后， 1984年德國魯爾大學(xué)的 Depen Brock 又提出了交流電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其特點(diǎn)是直接采用空間電壓矢量，直接在定子坐標(biāo)系下計算并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通；采用定子磁場定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生 PWM（空間矢量SPWM）直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。永磁同步電動機(jī)以其卓越的性能，在控制策略方面已取得了許多成果，相信永磁同步電動機(jī)必然 廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。另外，電流型解耦控制通過使耦合項中的一項保持不變，會引入一個滯后的功率因數(shù)。因此，工程上使用電流型解耦控制方案的較多。前者是一種完全解耦控制方案，可用于對 id， iq的完全解耦，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜；后者是一種近似解耦控制方案，控制原理是：適當(dāng)選取 id環(huán)電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其具有相當(dāng)?shù)脑鲆妫⑹冀K使控制器的參考輸入指令 id*=O，可得到 id≈id*=0， iq≈iq*o，這樣就獲得了永磁同步電動機(jī)的近似解耦。 此時， id與 iq無耦合關(guān)系， Te=npψfiq，獨(dú)立調(diào)節(jié) iq可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線性化。若想使永磁同步電動機(jī)獲得良好的動、靜態(tài)性能，就必須解決 id， iq的解耦問題。雖然 ， 對 DTC的研究已取得了很大的進(jìn)展，但在理論和實(shí)踐上還不夠成熟，例如：低速性能、帶負(fù)載能力等，而且它對實(shí)時性要求高，計算量大。 DTC方法實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制。該控制方案摒棄了矢量控制中解耦的控制思想及電流反饋環(huán)節(jié)，采取定子磁鏈定向的方法，利用離散的兩點(diǎn)式控制直接對電動機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。但因其需要復(fù)雜的矢量旋永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 15 轉(zhuǎn)變換，而且電動機(jī)的機(jī)械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響應(yīng)矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。需借助復(fù)雜的坐標(biāo)變換進(jìn)行矢量控制，而且對電動機(jī)參數(shù)的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。矢量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終的實(shí)施是對 id， iq的控制。 矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流電動機(jī)上模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律， 磁場定向坐標(biāo)通過矢量變換，將三相交流電動機(jī)的定子電流分解成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使這兩個分量相互垂直，彼此獨(dú)立，然后分別調(diào)節(jié)，以獲得像直流電動機(jī)一樣良好的動態(tài)特性。自 1971年德國西門子公司 F． Blaschke提出矢量控制原理，該控制方案就倍受青睞。近年來，研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動機(jī)的非線性特性。在一些動態(tài)性能要求不高的場所，由于開環(huán)變壓變頻控制方式簡單，至今仍普遍用于一般的調(diào)速系統(tǒng)中，但因其依據(jù)電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，無法獲得理想的動態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。 恒壓頻比控制 恒壓頻比控制是一種開環(huán)控制。因此，長期以來，交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能較差。直流電動機(jī)的主磁場和電樞磁場在空間互差 90176。為后續(xù)章節(jié)研究 調(diào)速 永磁同步電機(jī) 控制原理與方法，進(jìn)一步研究 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。以上即是永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) dq 軸系下的數(shù)學(xué)模型。由式 ()和式 ()得到永磁 同步電機(jī)在 dq 坐標(biāo)系下的電流方程 ： () 其中 di 、 qi 分別為定子電流在 dq 坐標(biāo)系下的分量，結(jié)合式 ()整理得 0??? CBA iii???????????????????????????????????????????????????CBACBAssssssCBApiiipLRpLRpLRUUU???230002300023?????? ?????????????? ????????? ?????????? c oss i n230 0 frss iipLRpLRUUsLLL 23?? ????????????????????????????????????CBAqdiiiii)32s i n ()32s i n (s i n)32c o s ()32c o s (c o s32???????????????????????????????????BAiiii221032??永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 11 () 永磁同步電機(jī)在 dq 坐標(biāo)系上的磁鏈方程為： () () () 電壓方程為： () () () 轉(zhuǎn)矩方程為： () 運(yùn)動方程為： () 其中 J 為轉(zhuǎn)動慣量， LT 為轉(zhuǎn)矩負(fù)載。 永磁同步電機(jī)在 dq 坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 在 dq 坐標(biāo)系下建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對于分析永磁同步電機(jī)控制過程系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能都十分方便。 由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布，根據(jù)圖 及圖 可知： () dtdIRU ssss ???rsss IL ?? ?????????????????????????????????????????????????????CBACBAssssssssssssCBApiiipLRpLpLpLpLRpLpLpLpLRUUU?????????34c o s32c o s32c o s34c o s32c o s34c o s???????????????????????)3/4c o s ()3/2c o s (c o s?????????rCBA永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 10 另外，對于星形接法的三相繞組，根據(jù)基爾霍夫（ Kirchhoff）定律有 () 聯(lián)合式 （ ） 、式 （ ） 和式 （ ） 整理 可以得到 ： () 永磁同步電機(jī)在 ?? 坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型