永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題研究.pdf

1、永磁同步電機(jī)由于具有高效率、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩慣量比等特點(diǎn)，在各種調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，研究分析高性能的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。目前，在高性能永磁同步電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，研究較多的主要有兩種控制方案：一種是矢量控制，也稱為磁場(chǎng)定向控制(FOC)；一種是直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。眾所周知，對(duì)電機(jī)的控制本質(zhì)上是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，矢量控制主要通過對(duì)電機(jī)直交軸電流的控制來間接控制轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)過程中要求嚴(yán)格的磁場(chǎng)定向，而直接轉(zhuǎn)

2、矩控制則是將電機(jī)和逆變器作為一個(gè)整體，直接以轉(zhuǎn)矩為控制對(duì)象，通過優(yōu)選的空間電壓矢量實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)首先是針對(duì)異步電機(jī)提出并得到成功應(yīng)用的，直到1997年才由南京航空航天大學(xué)和澳大利亞新南威爾士大學(xué)合作提出了正弦波永磁同步電機(jī)DTC方案，該方案自提出后迅速成為熱點(diǎn)研究問題。本文的研究?jī)?nèi)容就是圍繞永磁同步電機(jī)DTC技術(shù)展開，以正弦波和方波永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)采用DTC時(shí)的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)研究

3、，為永磁同步電機(jī)DTC技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和工程應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文研究?jī)?nèi)容如下：
　　 對(duì)永磁同步電機(jī)DTC技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，指出，目前對(duì)正弦波永磁同步電機(jī)DTC研究的廣度和深度都已經(jīng)達(dá)到一個(gè)新的高度，涉及的方向很多，內(nèi)容非常豐富，大致可以歸納為下面幾個(gè)方向：降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方法的研究；無傳感器運(yùn)行的研究；定子磁鏈控制方法的研究等。而對(duì)于方波永磁同步電機(jī)，由于電機(jī)電流非正弦，存在關(guān)斷相等特點(diǎn)，在采用DTC方法時(shí)有其特殊

4、性，近幾年正逐漸成為研究熱點(diǎn)。
　　 介紹了正弦波永磁同步電機(jī)不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型和傳統(tǒng)DTC的基本理論，給出了不同定子繞組連接方式下傳統(tǒng)DTC方法的實(shí)現(xiàn)過程。針對(duì)采用DTC時(shí)首先需要解決的參數(shù)測(cè)定問題，詳細(xì)介紹了一種DTC條件下額定定子磁鏈幅值等重要電機(jī)參數(shù)的測(cè)定方法，分析了不同運(yùn)行條件下參數(shù)的變化規(guī)律，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該方法對(duì)一般DTC下電機(jī)參數(shù)的確定具有借鑒意義，有助于推動(dòng)直接轉(zhuǎn)矩控制的進(jìn)一步工程應(yīng)用。
　　

5、針對(duì)正弦波永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)DTC在數(shù)字控制條件下的特點(diǎn)，在分析定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)矩角和轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，以降低穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和減少起動(dòng)時(shí)間為目標(biāo)，提出了一種DTC轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法，該方法既保證了電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)較低的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)又實(shí)現(xiàn)了電機(jī)具有較短的起動(dòng)時(shí)間，仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。對(duì)一般電機(jī)DTC中轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
　　 針對(duì)傳統(tǒng)DTC中磁鏈幅值恒定，轉(zhuǎn)子永磁體單獨(dú)勵(lì)磁的特點(diǎn)，從減少無功電流，

6、降低電機(jī)損耗，提高電機(jī)效率角度出發(fā)提出了一種磁鏈自適應(yīng)DTC方法，實(shí)現(xiàn)了在滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩要求的條件下對(duì)定子磁鏈給定的動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過在線實(shí)時(shí)調(diào)整定子磁鏈給定保證了電機(jī)在運(yùn)行過程中始終具有較少的無功電流和較高的功率因數(shù)，仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。
　　 從正弦波永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)DTC方法的實(shí)現(xiàn)過程不難看出，其還是受到了異步電機(jī)DTC方法的影響，仍然采用磁鏈和轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)的不解耦控制方式。而正弦波永磁同步電機(jī)中轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈

7、為定值，定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩角均為可控變量，因此，實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的方法不唯一。對(duì)不同轉(zhuǎn)矩控制方法進(jìn)行了分析和比較，提出了一種無磁鏈閉環(huán)DTC方法，該方法實(shí)現(xiàn)過程中直接根據(jù)轉(zhuǎn)矩的控制要求選擇最優(yōu)空間電壓矢量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)矩更快更準(zhǔn)確的控制，省去了磁鏈控制環(huán)節(jié)。仿真和實(shí)驗(yàn)證明了該方法的正確性和可行性，為DTC的進(jìn)一步研究提供了參考。
　　 方波永磁同步電機(jī)由于變量的非正弦，存在關(guān)斷相等特點(diǎn)，使得在采用DTC方法時(shí)有其特殊性。在實(shí)現(xiàn)直接

8、轉(zhuǎn)矩控制方法時(shí)，只要根據(jù)轉(zhuǎn)矩控制要求選擇交軸分量最優(yōu)的空間電壓矢量作用于電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的快速控制，無需觀測(cè)定子磁鏈。為保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，在無磁鏈觀測(cè)條件下需要對(duì)電流進(jìn)行限制，由于采用120度導(dǎo)通方式，通過控制轉(zhuǎn)矩能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電流的限制。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的無磁鏈觀測(cè)DTC方法理論的正確性和方法的可行性，為進(jìn)一步提高方波永磁同步電機(jī)DTC的性能奠定了基礎(chǔ)。
　　 基于TI公司高性能數(shù)字控制器設(shè)計(jì)了永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不同控制