稀土永磁同步電機(jī)——調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制

    一、概述

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）是繼矢量控制之后在20世紀(jì)80年代提出的又一高性能交流電動(dòng)機(jī)控制策略，已成功應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)中，在永磁同步電動(dòng)機(jī)中的研究和應(yīng)用也得到了廣泛的關(guān)注。相對(duì)于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制省去了復(fù)雜的空間坐標(biāo)變換；只需采用定子磁鏈定向控制，便可在定子坐標(biāo)系內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)磁鏈、轉(zhuǎn)矩的直接觀察和控制。由于只需要檢測(cè)定子電流即可準(zhǔn)確觀測(cè)定子磁鏈，解決了矢量控制中系統(tǒng)性能受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響的問題。在實(shí)施DTC時(shí)，將磁鏈、轉(zhuǎn)矩觀測(cè)值與給定值之差經(jīng)兩值滯環(huán)控制器調(diào)節(jié)后便獲得磁鏈、轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)，再綜合考慮定子磁鏈的當(dāng)前位置來(lái)選取合適的電壓空間矢量，形成對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制基于MT坐標(biāo)系，因此本節(jié)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)DTC的介紹從永磁同步電動(dòng)機(jī)的M T坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩方程開始，給出其電壓矢量的產(chǎn)生、磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制，最后給出DTC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

二、永磁同步電動(dòng)機(jī)M ' T坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩方程

由式（1于3）可知，永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩取決于定子交、直軸電流，還沒有達(dá)到完全解藕。為此需進(jìn)行坐標(biāo)變換解藕，求出在以定磁鏈代方向?yàn)镸軸的Me一T坐標(biāo)系中永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程。圖10一22為凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)MT坐標(biāo)系及d一q坐標(biāo)系的關(guān)系圖及電動(dòng)機(jī)各相量。圖中，A為定子A相繞組軸線，代為定子磁鏈，該磁鏈包括定子電流產(chǎn)生的磁鏈代和永磁磁鏈喲，其幅值表示為下式永磁同步電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值及定轉(zhuǎn)子磁鏈夾角占的正弦成正比。在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動(dòng)機(jī)鐵心，永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值也為恒值，要改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈夾角的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就是直接轉(zhuǎn)矩控制理論的指導(dǎo)思想。

三、基于定子相電壓矢量的定子磁鏈控制

定子電壓矢量“，由下式給出。

定子磁鏈沿電壓矢量方向的運(yùn)動(dòng)如圖10一24所示。為了方便選擇電壓矢量以控制定子磁鏈幅值，將電壓矢量平面分成6個(gè)部分，如圖10一25中的01 、氏、氏、氏、幾、幾所示。在每一個(gè)部分，選定兩個(gè)相鄰的電壓矢量用來(lái)控制磁鏈叭的大小。當(dāng)磁鏈在01范圍時(shí)，電壓矢量UZ和U3就可以用來(lái)控制磁鏈的大小，使其在確定的磁鏈變化范圍內(nèi)。

在直接轉(zhuǎn)矩控制中，電機(jī)定子磁鏈的幅值通過上述電壓矢量的控制而保持為額定值，要改變轉(zhuǎn)矩大小，可以通過控制定、轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角來(lái)實(shí)現(xiàn)，下面分析如何通過電壓矢量的控制調(diào)節(jié)定、轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角占。由于轉(zhuǎn)子磁鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)速度保持不變，因此夾角占的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)定子磁鏈的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。由式（10一68）可以看出，當(dāng)施加零電壓矢量時(shí)，定子磁鏈位于其初始位置，這對(duì)感應(yīng)電機(jī)完全正確，這是由于感應(yīng)電機(jī)的定子磁鏈由定子電壓唯一確定。但對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)，由于永磁體隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)定子施加零電壓矢量時(shí)定子磁鏈將變化。因此，在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，不采用零電壓矢量控制定子磁鏈，即定子磁鏈一直隨轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。假定電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，如果實(shí)際轉(zhuǎn)矩小于給定值，則選擇使定子磁鏈逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的電壓矢量，這樣角度母增加，實(shí)際轉(zhuǎn)矩增加；一旦實(shí)際轉(zhuǎn)矩高于給定轉(zhuǎn)矩，則選擇的電壓矢量使定子磁鏈反方向旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致角度占降低，實(shí)際轉(zhuǎn)矩降低。通過這種方式選擇電壓矢量，定子磁鏈一直旋轉(zhuǎn)，且其旋轉(zhuǎn)方向由轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器決定。表10一1為逆變器開關(guān)表，其中勢(shì)和二分別為磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器的輸出。如果,