三相永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究
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郭 強(qiáng)，李 強(qiáng)
（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）
摘要：電動(dòng)機(jī)控制的核心是實(shí)現(xiàn)對(duì)其電磁轉(zhuǎn)矩的控制，其控制方法有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等，相比矢量控制而言，直接轉(zhuǎn)矩控制省去了磁場(chǎng)定向、矢量變換和電流控制等復(fù)雜環(huán)節(jié)，具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能。介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的原理，并在MATLAB/Simulink中建立了三相永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制模型，通過(guò)對(duì)模型仿真結(jié)果的分析，可以看到直接轉(zhuǎn)矩控制具有良好的轉(zhuǎn)矩控制效果和快速響應(yīng)能力。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；研究中圖分類號(hào)：TM351
0 引言
直接轉(zhuǎn)矩控制( DTC)法于20世紀(jì)80年代中期由德國(guó)人提出，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，并在電機(jī)控制中取得了快速的發(fā)展，尤其是在永磁同步電機(jī)( PMSM)中的發(fā)展更體現(xiàn)出直接轉(zhuǎn)矩控制諸多的優(yōu)良特性，比如功率因素更高、更節(jié)省電能、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)更大等，所以對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究具有非常重要的實(shí)際意義。
1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理
式(2)中，轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠?#936;f不變，控制定子磁鏈?zhǔn)噶?#936;s的幅值不變，就可以通過(guò)控制負(fù)載角霸來(lái)控制電磁轉(zhuǎn)矩，這就是PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。
2基于電壓模型的磁鏈和轉(zhuǎn)矩估計(jì)
2.1 滯環(huán)比較控制
由直接轉(zhuǎn)矩控制原理可知，直接轉(zhuǎn)矩控制以定子磁鏈和負(fù)載角作為控制變量，這兩個(gè)變量的控制可以通過(guò)滯環(huán)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)。滯環(huán)比較器的原理是通過(guò)選擇合理的開關(guān)電壓矢量來(lái)控制逆變器逆變橋的開關(guān)，從而通過(guò)控制定子電壓來(lái)控制電磁轉(zhuǎn)矩。滯環(huán)比較器和電壓源逆變器相當(dāng)于一個(gè)高增量的P調(diào)節(jié)器，能夠使得實(shí)際電流快速跟蹤參考電流，消除電流跟蹤過(guò)程中的延遲和滯后。圖2為定子磁鏈?zhǔn)噶窟\(yùn)行軌跡的控制圖。
2.2 PMSM的數(shù)學(xué)模型
可以用定子電壓矢量方程估計(jì)定子磁鏈?zhǔn)噶?#936;s，即有：
3 控制系統(tǒng)仿真
3.1 控制系統(tǒng)模型搭建
在MATLAB 2012環(huán)境下，利用其內(nèi)置Simulink模塊工具，搭建PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型，整體框圖如圖3所示。
圖3中，i A、i B和i C、為定子三相電流，UDC為供給逆變器的直流電壓，Ψ*為磁鏈給定，T*為參考扭矩，Sa、S b和S c為開關(guān)序列，S為滯環(huán)比較器控制邏輯輸出，Angle為定子磁鏈空間位置角度，S n為扇區(qū)號(hào)，g為脈沖序列。
該模型總體分為電動(dòng)機(jī)模塊和控制系統(tǒng)模塊兩大部分，利用模塊化思想，將仿真模型分解為以下8個(gè)小模塊：電流和電壓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊；磁鏈估算模塊；轉(zhuǎn)矩估算模塊；位置估算模塊；區(qū)間判斷模塊；滯環(huán)比較模塊；脈沖模塊；電動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)量模塊。其中脈沖模塊通過(guò)查表法來(lái)產(chǎn)生脈沖序列，控制絕緣柵雙極型晶體管IGBT的通斷，查表法的作用為在表1中選擇合適的開關(guān)電壓矢量來(lái)控制定子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛托D(zhuǎn)速度，從而控制電磁轉(zhuǎn)矩。
下面列出了幾個(gè)重要模塊的結(jié)構(gòu)框圖，圖4為定子磁鏈估算模塊結(jié)構(gòu)框圖，圖5為轉(zhuǎn)矩估算模塊結(jié)構(gòu)框圖，圖6為位置估算模塊結(jié)構(gòu)框圖，圖7為區(qū)間判斷模塊結(jié)構(gòu)框圖，圖8為滯環(huán)比較模塊結(jié)構(gòu)框圖，圖9為脈沖模塊結(jié)構(gòu)框圖。
3.2 仿真結(jié)果與分析
由仿真曲線可以看出，在參考轉(zhuǎn)速為80 rad/s時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)快速平穩(wěn)，僅用時(shí)0.01 s，在此階段系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩恒定為30 N*m，定子磁鏈軌跡近似為圓形，滿足磁鏈幅值不變的控制要求，由此可見基于PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)調(diào)速性能。
4結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)三相永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，利用磁鏈估算和滯環(huán)比較等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM的控制，最后在MATLAB/Simulink環(huán)境下對(duì)三相交流永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法進(jìn)行了建模仿真，通過(guò)查表的方法實(shí)現(xiàn)定子電壓矢量的選擇，完成對(duì)PMSM的控制。仿真結(jié)果表明PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制方法具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)特性，能夠完成對(duì)PMSM的良好控制，并且實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，具有重要的工程實(shí)踐價(jià)值。
