永磁同步电机直接转矩控制及控制性能研究

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1、第五章永磁同步电机直接转矩控制及控制性能研究矢量控制和直接转矩控制是交流电机的两种高性能控制策略，在永磁同步电机驱动控制中的应用与研究己受到众多学者的广泛关注。为了能够更好研究永磁同步电机的控制性能，提高永磁同步电机调速系统的动静态性能，本章针对永磁同步电机直接转矩控制系统，从空间电压矢量出发，在第四章建立永磁同步电机不同的坐标系下的数学模型的基础上，研究永磁同步电机直接转矩控制和空间电压矢量调制直接转矩控制的理论和实现方法，并进行仿真实验研究，分析控制策略的正确性[24][30]。本文研究的转鼓实验台的恒转矩控制方

2、式和惯量模拟控制方式，均采用空间电压矢量调制直接转矩控制策略对交流测功机（即永磁同步电机）进行模拟加载。5.1永磁同步电机直接转矩控制基本理论5.1.1永磁同步电机在x、y坐标系下的数学模型将永磁同步电机在同步旋转坐标系中磁链、电流和电压矢量关系表示在图5-1（即图4-1）中所示，图中定义为转矩角，即定子磁链和转子磁链之间的夹角。d、q为与转子磁场速度同步旋转的坐标系，d轴指向转子永磁磁链方向；x、y为与定子磁场速度同步旋转的坐标系，x轴指向定子磁链方向。假设x轴超前d轴时转矩角为正，在忽略定子电阻的情况下，转矩角即

3、为功角。当电机稳态运行时，定、转子磁链都以同步转速旋转。因此，在恒定负载的情况下转矩角为恒定值。当电机瞬态运行时，转矩角则因定、转子旋转速度不同而不断变化[31][32]。图5-1永磁同步电机坐标系由图5-1可推导出转矩角的表达式为（5-1）式中：、：定子磁链在d、q坐标系下的分量（Wb）；：转子永磁磁链（Wb）；id、iq：定子电流is在d、q坐标系下的分量（A）；Lq：定子电感的d轴分量，即交轴电感（H）；Ld：定子电感的q轴分量，即直轴电感（H）。将d、q坐标系中物理量转换到x、y坐标系，可以得到（5-2）反变

4、换为（5-3）式中：F：可以代表电压、电流、磁链；1．x、y参考坐标系下的转矩表达式[33][34]由图5-1可知（5-4）（5-5）式中：：定子磁链幅值。又由第四章的电磁转矩Te的矢量形式表达式式中：is：定子电流（A）；：定子磁链（Wb）。综合式(5-2)、(5-4)、(5-5)，将(5-2)代入电磁转矩Te的矢量表达式可以得到x、y轴系的转矩表达式（5-6）式中：ix、iy：定子电流is在x、y坐标系下的分量（A）；np：电机极对数。式(5-6)表明：如果定子磁链幅值恒定，那么转矩正比于定子电流的y轴分量。2．

5、x、y坐标系下的磁链表达式将式(5-3)的磁链变换式和电流变换式代入磁链方程的矩阵形式，即第四章的式(4-30)可得（5-7）式中：，：定子磁链在x、y坐标系下的分量（Wb）。经变换得（5-8）即（5-9）3．x、y坐标系下的定子电流表达式[36][103]由于定子磁链定向于x轴，有，，求解式（5-9）可得x、y坐标系下的定子电流表达式为（5-10）（5-11）将式(5-10)、式(5-11)代入式(5-6)得到d、q坐标上的转矩表达式为（5-12）由电机的转矩表达式可知，电机的转矩可分为两部分，前一部分为电机的电磁

6、转矩，它由电枢交轴电枢反应产生，后一部分为电机凸极结构产生的磁阻转矩。对于本文中采用的隐极式永磁同步电机来讲，Ld=Lq=Ls，转矩中的磁阻分量为零，转矩表达式为（5-13）式中：：定子磁链相对于转子磁链旋转角速度（rad/s）；：转矩角变化前一时刻的初值（rad）。从式(5-13)可知，当定子磁链保持幅值恒定时，转矩角从-90º变化到90º时，电机转矩随着转矩角增大而增大，且转矩角为90º时，转矩达到最大。对式(5-13)的两边求导，电机转矩在t=0时刻的增长率为（5-14）当转矩角在-90º~90º(电机稳定运行

7、工作区，此时电动状态工作段为0º~90º)范围内变化时，式(5-14)右边总为正，表明转矩随着转矩角增加而增加[28][29]。5.1.2永磁同步电机直接转矩控制系统直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的具有高性能的交流变频调速技术，它摒弃了矢量控制中电流解耦的控制思想，去掉了PWM脉宽调制器和电流反馈环节，通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器，直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制[29][37][38]。永磁同步电机直接转矩控制系统如图5-2所示。图5-2永磁同

8、步电机直接转矩控制系统工作原理及控制过程如下：（1）由传感器检测逆变器的直流母线电压和电机的两相电流，经坐标变换和系统控制规律，计算出电机反电势，对其积分以实现对定子磁链的估计；（2）根据估计的磁链和实测电流来计算电机的瞬时转矩；（3）根据d、q轴定子磁链来判别其位置所在的扇区；（4）电机的转速可通过光电编码器获得，也可通过定子磁链的旋转速度估