喬 銘

（湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430070）

交流電機(jī)主要有異步電機(jī)和同步電機(jī)兩大類。同步電機(jī)中永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，這種同步電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度高，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。直接轉(zhuǎn)矩控制是根據(jù)測(cè)量到的電機(jī)電壓和電流計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩的估計(jì)值，從而控制電機(jī)速度的方法[1]。

直接轉(zhuǎn)矩控制放棄了使用矢量控制的思想控制電機(jī)，不是通過(guò)測(cè)量定子電流、Park變換、Clark變換、反Park變換、SVPWM調(diào)制的算法間接控制電機(jī)，而是直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩從而控制其速度。該控制方式以定子磁鏈為參考系，算法更為簡(jiǎn)單，更容易實(shí)現(xiàn)，且比矢量控制擁有更強(qiáng)的抗干擾能力，而且給定的轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較器后，能夠調(diào)節(jié)電壓矢量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，有著更為迅速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。然而，直接轉(zhuǎn)矩控制在低速和高速下的響應(yīng)均弱于矢量控制，而且直接轉(zhuǎn)矩控制會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大[2]。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別如表1所示。

表1 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別

1 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)存在一個(gè)理想的永磁同步電機(jī)，三相靜止坐標(biāo)下電壓形式如下：

磁鏈方程形式如下：

式中：Us為定子電壓；Is為定子電流；Rs為定子電阻；φs為定子磁鏈；Ls為定子電感；φr為轉(zhuǎn)子磁鏈。

式中：uα、uβ為α-β系中定子的電壓；iα、iβ為的定子電流；ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制仿真分析

搭建仿真模型時(shí)要分模塊搭建，先對(duì)每個(gè)子模塊分別進(jìn)行參數(shù)調(diào)試和仿真效果測(cè)試，在子模塊測(cè)試完畢后，連接子模塊，形成最終的仿真模型，如圖1所示。使用這種方式搭建模型，便于進(jìn)行問(wèn)題定位，從而快速找出仿真運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題的位置[3]。仿真模型主要包含轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊、空間矢量扇區(qū)選擇模塊、定子磁鏈計(jì)算模塊3個(gè)部分，下文主要對(duì)這幾部分進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

2.1 定子磁鏈計(jì)算模塊

該模塊中，通過(guò)采樣d-q軸電流進(jìn)行磁鏈估算，然后經(jīng)過(guò)Park變換得到定子磁鏈在α-β軸上的分量，其中uα、uβ分別來(lái)自兩相靜止坐標(biāo)系下的分量，這種控制結(jié)構(gòu)比矢量控制更為簡(jiǎn)單，省去了Clark變換，實(shí)現(xiàn)難度更低。

2.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊

該模塊搭建時(shí)沒(méi)有使用邏輯單元計(jì)算，而是選擇直接在功能模塊中輸入電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程，根據(jù)永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型中的電磁轉(zhuǎn)矩方程來(lái)算出實(shí)際轉(zhuǎn)矩[4]，因此只需要前面計(jì)算的磁鏈與可以測(cè)量的定子電流以及預(yù)設(shè)的電機(jī)極對(duì)數(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩方程就可以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程為：

2.3 空間矢量扇區(qū)選擇模塊

該模塊的工作原理為：將轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較器后的值視為1個(gè)二進(jìn)制數(shù)，通過(guò)3個(gè)二進(jìn)制數(shù)選擇相應(yīng)的扇區(qū)和逆變器開(kāi)關(guān)信號(hào)，并給出合適的矢量，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)[5]。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的3對(duì)mos管也視為3位二進(jìn)制數(shù)，根據(jù)每對(duì)mos管的導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)判斷，存在8種矢量，包括6個(gè)非零矢量和2個(gè)零矢量[6]。

2.4 仿真結(jié)果分析

進(jìn)行仿真分析時(shí)，先設(shè)定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為15 N·m，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到0.1 s時(shí)，將轉(zhuǎn)矩從15 N·m增加為20 N·m，電機(jī)轉(zhuǎn)矩如圖2所示。

可以看到當(dāng)轉(zhuǎn)矩突變時(shí)，輸出的電磁轉(zhuǎn)矩能夠迅速響應(yīng)設(shè)定值，電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖3所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時(shí)，轉(zhuǎn)速依然可以保持穩(wěn)定。這證明了電機(jī)工作在穩(wěn)定的狀態(tài)下，具有良好的魯棒性，雖然因負(fù)載改變而使轉(zhuǎn)速略有波動(dòng)，但是經(jīng)過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)能夠迅速恢復(fù)穩(wěn)定。

3 結(jié)論

當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，其定子電流一直運(yùn)行平穩(wěn)呈正弦波；當(dāng)增加負(fù)載時(shí)，其電流迅速增大，整個(gè)過(guò)程中電流畸變小，諧波含量低。通過(guò)仿真分析可知，直接轉(zhuǎn)矩控制是一種優(yōu)良的控制策略，能夠在使用少量外部參數(shù)的情況下控制永磁同步電機(jī)，使永磁同步電機(jī)得到較好的工作性能，并且在外部負(fù)載突變時(shí)能夠快速進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，以保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。