永磁同步電機轉矩控制技術研究

龍泰旭 劉文生

【摘?要】永磁同步電機的結構比較簡單、其工作效率比較高以及擁有調速范圍比較寬的優點，被廣泛應用在各種領域中，如機械制造工業、電力系統以及航空航天等領域中。本文是以永磁同步電機直接轉矩控制技術為研究對象，深入分析這種新型高性能的交流調速技術。從空間矢量原理出發，介紹調速系統中的三種坐標系和變換理論。將空間矢量脈寬調制技術引入永磁同步電機的直接轉矩控制系統中，解決傳統直接轉矩控制技術中磁鏈、轉矩脈動大等問題。

【關鍵詞】永磁同步電機;直接轉矩控制;空間矢量;轉矩脈動

Abstract：The structure of the permanent magnet synchronous motor is relatively simple，its working efficiency is relatively high，and it has the advantages of a wide speed range.It is widely used in various fields，such as machinery manufacturing industry，power system and aerospace.This article takes the direct torque control technology of permanent magnet synchronous motor as the research object，and deeply analyzes this new high-performance AC speed regulation technology.Starting from the space vector principle，three coordinate systems and transformation theories in the speed control system are introduced.The space vector pulse width modulation technology is introduced into the direct torque control system of the permanent magnet synchronous motor，which solves the problems of flux linkage and large torque ripple in the traditional direct torque control technology.

key words：Permanent magnet synchronous motor;direct torque control;space vector;torque ripple

0 引言

電機是以磁場作為媒介進行機電能量的相互轉換電磁裝置。永磁同步電機是通過轉子由永磁體替代電線圈勵磁來產生磁場，通常永磁同步電機的結構主要有表面貼裝式、嵌入式 以及內埋式等。由于永磁同步電機轉子磁極結構的不同引起電機凸極系數差別較大，因此，相應的控制方法也各不相同。但是，永磁同步電機相對傳統異步電機相比來說，同步電機具有節電性、較強的承受力、轉矩慣性較高以及控制技術相對簡單等優點。永磁同步電機調速系統發展經歷了變頻調速、矢量控制和直接轉矩控制三個個階段。

1 永磁同步電機直接轉矩控制技術

1.1 永磁同步電機直接轉矩控制技術特點

永磁同步電機直接轉矩控制是繼矢量控制之后的又一高性能的交流電機控制方法，直接轉矩控制把轉矩作為被控量，不涉及復雜的電機解耦，響應速度快?？梢越鉀Q大范圍的矢量控制中計算復雜、特性易受電動機參數變化的影響、實際性能難以達到理論分析結果等問題。直接轉矩控制直接計算與控制交流電動機的轉矩，采用磁場定向，借助離散的兩點式調節產生PWM信號，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能。

2 永磁同步電機直接轉矩控制技術系統研究

2.1 永磁同步電機直接轉矩控制理論

永磁同步電機中的磁鏈、電流和電壓的矢量關系如圖2-1所示。

其中轉子磁鏈的軸向為d軸的正方向，d軸與A相繞組的夾角為。定子磁鏈的方向為軸的正方向。并將其定義x軸與d軸的夾角為轉矩角，x軸超前d軸時，轉矩角為正。在忽略定子電阻的情況下，轉矩角為功角。當電機穩態運行時，定、轉子磁鏈都以同步速旋轉。所以，在恒定負載的時候轉矩角為恒定值。當電機瞬態運行時，轉矩角則因定、轉子旋轉速度的不同而不斷改變。

2.3 空間電壓矢量調制

永磁同步電機轉矩的產生和改變與定、轉子磁鏈的夾角密切相關，電機旋轉時，轉子磁鏈位置不斷變化，定子磁鏈也需要做相應的轉動。通過使用如圖2-2所示的控制主電路，產生轉動的定子磁鏈。

電機的端電壓由開關管的導通和關斷來控制分別替代三組互鎖的開關器件，同一橋臂的上下管互鎖，分別使用三個單刀雙投開關、和。

為了根據磁鏈和轉矩滯環比較器的輸出信號選擇合適的空間電壓矢量的角平分線作為分區的邊界。通?？梢怨ぷ魇噶繉⒖臻g分成了六個扇區，用表示，其中i=1～6來表示這6個扇區，如圖2-3所示。

在忽略定子電阻壓降時，定子磁鏈將沿輸入空間電壓矢量的方向，以正比與輸入電壓的速度移動。因此，適當地電機的空間電壓矢量，可以使磁鏈的運動軌跡近似為圓。為了保持磁鏈幅值，可以根據磁鏈偏差大小和磁鏈的具體方向，適當選取空間電壓矢量達到控制磁鏈的目的，并且零矢量在一個控制周期內，不會對磁鏈產生影響，磁鏈將不發生移動。

3 永磁同步電機直接轉矩控制系統組成

永磁同步電機直接轉矩控制系統的主要組成部分分別為：逆變器模塊、轉矩與磁鏈控制模塊以及開關表等，結構如圖2-4所示。

3.1 逆變器模塊

直接轉矩控制對電機的控制是通過對逆變器輸入不同的空間電壓矢量實現的，而空間電壓矢量選擇是通過開關表來實現，直接轉矩控制是將控制策略和逆變器一體化設計。

3.2 轉矩和磁鏈的控制模塊

直接轉矩控制是對電機轉矩和磁鏈的控制，通過這個控制模塊來實現控制目標。

3.3 開關表

開關表根據兩個滯環比較器的輸出實現對空間電壓矢量的選擇，這是直接轉矩控制中最核心的控制部分，開關表定義的質量，直接影響控制系統的性能。

3.4 坐標變換與扇區判斷

凸極式永磁同步電機的磁路和其轉子的位置有關，如果采取的定子定向的計算方法，側磁鏈和轉矩為轉矩角的函數，方程復雜，不易計算。一般采用兩相旋轉坐標系下計算的方法，通過三相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換來計算。

4 結語

本文通過對永磁同步電機直接轉矩控制系統的分析，研究空間電壓矢量，并根據空間電壓矢量對轉矩和磁鏈的影響，以及與開關表的關系，深入分析直接轉矩理論在永磁同步電機上運用的可行性，減短永磁同步電機直接轉矩控制周期過長，電流上升過大，以及減小了轉矩脈動，為將來深入研究做好堅實的理論基礎。

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（作者單位：大連交通大學）