李博，張靖典

（西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院, 陜西西安，710032）

0 引言

1823 年出現(xiàn)了世界上第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，它的定子由永磁材料所制造，也就是永磁體，所以它的定子可以自身產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，這就是永磁同步電動(dòng)機(jī)。我國(guó)是盛產(chǎn)稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁的國(guó)家，永磁礦物材料的儲(chǔ)備量非常高。因此，對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，永磁電動(dòng)機(jī)的發(fā)展有很好的應(yīng)用前景。

直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)直接摒棄了解耦的思想。簡(jiǎn)單明了的對(duì)電動(dòng)機(jī)的磁鏈進(jìn)行分析，對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,并且用定子的磁鏈的定向作為最基本的準(zhǔn)則，避開(kāi)了電機(jī)中不易確定與測(cè)量的參數(shù)。所以直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)的控制更加簡(jiǎn)單直接,計(jì)算過(guò)程也更加方便。

本論文主要是探究直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對(duì)于永磁同步直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，是否可以提升其效率；以及直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)其的影響和利弊陳述，并且基于此對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行理論分析。

1 永磁同步直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

永磁同步直流電動(dòng)運(yùn)行起來(lái)比較復(fù)雜。以下將分別介紹磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程。因?yàn)檫@四個(gè)方程式構(gòu)成永磁同步直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。

1.1 磁鏈方程

每個(gè)繞組的磁鏈自感磁鏈加上互感磁鏈就等于每個(gè)繞組的自身磁鏈，而互感磁鏈?zhǔn)瞧渌睦@組對(duì)這個(gè)自身繞組所產(chǎn)生的。永磁同步直流電動(dòng)機(jī)有六個(gè)繞組，所以就有六個(gè)磁鏈方程，這六個(gè)方程（1）如示。

或?qū)懗桑?/p>

1.2 電壓方程

或?qū)懗桑?/p>

1.3 轉(zhuǎn)矩方程

1.4 運(yùn)動(dòng)方程

其中 TL —負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩；J —機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

轉(zhuǎn)角方程為：

2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理

圖1 為永磁同步直流電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)的整個(gè)原理框圖，此系統(tǒng)主要是通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，以此達(dá)到控制整個(gè)電動(dòng)機(jī)的目的。如圖所示，*T 是由電磁轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的一個(gè)信號(hào)，而這個(gè)信號(hào)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）所輸出而來(lái)的，而要想實(shí)現(xiàn)不被干擾的轉(zhuǎn)矩控制，還需要其內(nèi)環(huán)，因?yàn)樗梢詨褐拼沛湹淖兓拐麄€(gè)系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)解耦，所以只能把內(nèi)環(huán)放在*T 后面。至于 sψ，它是轉(zhuǎn)子磁鏈，而直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)就是要使它的幅值保持不變，然后改變定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)速度改變了，那么磁通角的大小也將改變，這就是直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)的控制方式。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖

2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要有四大特點(diǎn)：

（1)簡(jiǎn)單直接。

（2)幾乎不受參數(shù)的影響。

（3)誤差非常小。

（4)性能優(yōu)良。

以上特點(diǎn)，使得直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)一經(jīng)推出，就立馬被大眾所接受，并且迅速得到了廣泛的使用和傳播。

3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的建模與仿真

3.1 建立直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型

如圖3 所示，此圖為直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型，在此仿真模型中，使用的是PI 調(diào)節(jié)器，此調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速是積分制的，其輸出是限幅的。而永磁同步直流電動(dòng)機(jī)將采用基于α-β 坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，定子的磁鏈采用帶有滯環(huán)的雙位式控制器，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器也和定子磁鏈一樣。simulink中的s 函數(shù)編寫(xiě)編寫(xiě)電壓矢量。

圖2 永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理框圖

圖3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型

3.2 仿真的結(jié)果與分析

在仿真的時(shí)候，永磁同步直流電機(jī)的參數(shù)為：直軸電感Ld=0.00851H,定子電阻Rs=2.8751Ω,永磁材料制成的轉(zhuǎn)子的磁鏈ψf=0.1751Wb，交軸的電感Lq=0.00851H；極對(duì)數(shù)p=4；轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量J=0.000851Kg·m2,滯系數(shù)B=O,磁鏈給定為ψs=1.2Wb,逆變器直流電壓U=380V,考慮電機(jī)的理想狀態(tài)，電機(jī)摩擦系數(shù)為零。速度環(huán)PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)為kp=0.31，ki=23，系統(tǒng)仿真時(shí)間設(shè)為0.51s，此參數(shù)是經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試而得到的。

①當(dāng)空載啟動(dòng)時(shí)

圖4 (b) 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

②當(dāng)帶負(fù)載啟動(dòng)時(shí)

圖4 (c) 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖4 (d) 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

③當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)

圖4 (e) 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖4 (f) 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

由上圖可知在轉(zhuǎn)速突變時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，但能在12ms 左右便進(jìn)入穩(wěn)定，恢復(fù)原值。但是在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)附加在永磁同步直流電動(dòng)機(jī)的過(guò)程中，定子和轉(zhuǎn)子的磁鏈以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)都將立馬上升，仍有很大的改進(jìn)空間，對(duì)于產(chǎn)生磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要原因分析如下：

（1）滯環(huán)控制器不能及時(shí)控制誤差，因此，穩(wěn)態(tài)精度仍有待提高。

（2）在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，由于溫度的變化，定子電阻阻值也會(huì)隨之變化，從而影響永磁同步直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，從而使其低速性能變差。

（3）電壓空間矢量的選擇是通過(guò)滯環(huán)控制器的輸出來(lái)控制的，因此只可能比較兩個(gè)滯環(huán)控制器的輸出，這樣一來(lái)，電壓空間矢量就是突變的，并且使得磁鏈和轉(zhuǎn)矩也就發(fā)生突變，磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也就不可避免了。

4 結(jié)論

整篇論文的主要內(nèi)容到此已經(jīng)基本介紹完畢，現(xiàn)在對(duì)以上研究做一個(gè)歸納和總結(jié)，通過(guò)對(duì)研究?jī)?nèi)容的總結(jié)，不但為今后的研究工作打下一定的基礎(chǔ)，還可以通過(guò)總結(jié)看出研究?jī)?nèi)容的一些不足之處，使之成為日后改進(jìn)此項(xiàng)研究可以進(jìn)一步進(jìn)行的工作。

（1）通過(guò)簡(jiǎn)要介紹各個(gè)坐標(biāo)以及各個(gè)坐標(biāo)相互轉(zhuǎn)換的原理和具體算法，在不同坐標(biāo)系下，我們也分析并建立了各個(gè)情況下的數(shù)學(xué)模型。

（2）分析了PMSM 下DTC 系統(tǒng)的基本原理，其根本思想就是直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，在改變轉(zhuǎn)矩角的同時(shí)是定子的磁鏈的幅值為一定的常數(shù)，以此來(lái)直接控制同次同步直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而減少了大量而復(fù)雜的計(jì)算。

（3）用Matlab 軟件中的Simulink 作為仿真工具，永磁同步直流電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并且得到了其模型，而且在此基礎(chǔ)上，對(duì)其結(jié)果也進(jìn)行了研究與分析。分析仿真結(jié)果，定子磁鏈波形基本符合圓形定子磁鏈的要求，且轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)也基本符合預(yù)先的設(shè)想。但由于直接轉(zhuǎn)矩的自身缺陷，使得定子磁鏈脈動(dòng)仍然較大，并通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果分析，討論了該方法存在的問(wèn)題，指出傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)磁鏈、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的根本原因是一個(gè)周期內(nèi)只能選擇一個(gè)基本電壓矢量，且轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差不能被所施加的電壓完全補(bǔ)償。