永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)若干關鍵問題研究.pdf

1、永磁同步電機由于具有高效率、高功率密度、高轉矩慣量比等特點，在各種調速系統(tǒng)中應用越來越廣泛，研究分析高性能的永磁同步電機驅動系統(tǒng)具有十分重要的經濟和社會意義。目前，在高性能永磁同步電機調速領域，研究較多的主要有兩種控制方案：一種是矢量控制，也稱為磁場定向控制(FOC)；一種是直接轉矩控制(DTC)。眾所周知，對電機的控制本質上是對電機轉矩的控制，矢量控制主要通過對電機直交軸電流的控制來間接控制轉矩，實現(xiàn)過程中要求嚴格的磁場定向，而直接轉

2、矩控制則是將電機和逆變器作為一個整體，直接以轉矩為控制對象，通過優(yōu)選的空間電壓矢量實現(xiàn)對電機轉矩的直接控制。直接轉矩控制技術首先是針對異步電機提出并得到成功應用的，直到1997年才由南京航空航天大學和澳大利亞新南威爾士大學合作提出了正弦波永磁同步電機DTC方案，該方案自提出后迅速成為熱點研究問題。本文的研究內容就是圍繞永磁同步電機DTC技術展開，以正弦波和方波永磁同步電機為研究對象，對采用DTC時的若干關鍵問題進行理論分析和仿真實驗研究

3、，為永磁同步電機DTC技術的進一步發(fā)展和工程應用打下堅實的基礎。本文研究內容如下：
　　 對永磁同步電機DTC技術國內外研究現(xiàn)狀進行了綜述，指出，目前對正弦波永磁同步電機DTC研究的廣度和深度都已經達到一個新的高度，涉及的方向很多，內容非常豐富，大致可以歸納為下面幾個方向：降低轉矩脈動方法的研究；無傳感器運行的研究；定子磁鏈控制方法的研究等。而對于方波永磁同步電機，由于電機電流非正弦，存在關斷相等特點，在采用DTC方法時有其特殊

4、性，近幾年正逐漸成為研究熱點。
　　 介紹了正弦波永磁同步電機不同坐標系下的數(shù)學模型和傳統(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方法的實現(xiàn)過程。針對采用DTC時首先需要解決的參數(shù)測定問題，詳細介紹了一種DTC條件下額定定子磁鏈幅值等重要電機參數(shù)的測定方法，分析了不同運行條件下參數(shù)的變化規(guī)律，并進行了實驗驗證。該方法對一般DTC下電機參數(shù)的確定具有借鑒意義，有助于推動直接轉矩控制的進一步工程應用。
　　

5、針對正弦波永磁同步電機傳統(tǒng)DTC在數(shù)字控制條件下的特點，在分析定子磁鏈幅值、轉矩角和轉矩變化規(guī)律的基礎上，以降低穩(wěn)定運行時的轉矩脈動和減少起動時間為目標，提出了一種DTC轉矩調節(jié)器設計方法，該方法既保證了電機穩(wěn)定運行時較低的轉矩脈動又實現(xiàn)了電機具有較短的起動時間，仿真和實驗驗證了該方法的正確性和有效性。對一般電機DTC中轉矩調節(jié)器的設計具有指導意義。
　　 針對傳統(tǒng)DTC中磁鏈幅值恒定，轉子永磁體單獨勵磁的特點，從減少無功電流，

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

7、為定值，定子磁鏈幅值和轉矩角均為可控變量，因此，實現(xiàn)直接轉矩控制的方法不唯一。對不同轉矩控制方法進行了分析和比較，提出了一種無磁鏈閉環(huán)DTC方法，該方法實現(xiàn)過程中直接根據(jù)轉矩的控制要求選擇最優(yōu)空間電壓矢量，實現(xiàn)了對轉矩更快更準確的控制，省去了磁鏈控制環(huán)節(jié)。仿真和實驗證明了該方法的正確性和可行性，為DTC的進一步研究提供了參考。
　　 方波永磁同步電機由于變量的非正弦，存在關斷相等特點，使得在采用DTC方法時有其特殊性。在實現(xiàn)直接

8、轉矩控制方法時，只要根據(jù)轉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即可實現(xiàn)對轉矩的快速控制，無需觀測定子磁鏈。為保證電機穩(wěn)定運行，在無磁鏈觀測條件下需要對電流進行限制，由于采用120度導通方式，通過控制轉矩能夠實現(xiàn)對電流的限制。仿真和實驗驗證了提出的無磁鏈觀測DTC方法理論的正確性和方法的可行性，為進一步提高方波永磁同步電機DTC的性能奠定了基礎。
　　 基于TI公司高性能數(shù)字控制器設計了永磁同步電機實驗平臺，不同控制