基于扇區過渡的永磁同步電動機直接轉矩控制

林海，嚴衛生，李銘峰，吳濤

  (西北工業大學，陜西西安710072)

    摘要：分析了直接轉矩控制(DTC)基本原理，針對永磁同步電動機直接轉矩控制系統中定子磁鏈經過相鄰近扇區邊界時系統轉矩脈動較大的問題，提出兩種在相鄰扇區過渡時抑制轉矩脈動的方法：平衡扇區過渡法和過扇區過渡法，并對所提出的兩種方法進行了仿真研究。仿真實驗結果表明兩種方法都能有效減小系統中定子磁鏈處于扇區邊界時的轉矩脈動。

    關鍵詞：永磁同步電動機；直接轉矩控制；扇區過渡；轉矩脈動

    中圈分類號：TM341  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)05—0036—04

0引言

    近年來，直接轉矩控制(以下簡稱DTC)策略由于對電機參數依賴性小、控制簡單、轉矩響應快和動態性能好等優點，日益受到國內外眾多學者和專家的關注。DTC的應用對象也由最初的異步交流電機逐漸延伸到其他電機中^[1-2]。在眾多不同類型電機中，永磁同步電動機由于結構簡單、運行可靠和效率高等優勢越來越受到人們的關注，已經有學者將DTC成功應用于永磁同步電動機^[3-5]，在電機控制研究領域中也成為了研究熱點之一。

     雖然DTC策略有很多優點，但傳統的DTC技術應用于永磁同步電動機中，仍然有一些問題需要解決，而轉矩脈動問題是研究的一個重點。常規的DTC采用Bang-Bang離散兩值的滯環控制導致轉矩脈動劇烈，國內外很多學者都為此作出了很多工作^[1-15]。文獻[12]中針對傳統的DTC控制策略中的電壓矢量選擇表提出了補充邊界上的電壓矢量選擇表方案，以期望減小磁鏈在相鄰扇區切換時引起的轉矩脈動。本文在分析傳統永磁同步電動機直接轉矩控制理論的基礎上，進一步對該方法進行了深入探討，發現該方法并不能有效減小磁鏈在相鄰扇區切換時的轉矩脈動。由此提出了兩種在相鄰扇區切換時有效抑制磁鏈轉矩脈動的方法。研究結果表明，所提出的兩種方法均能達到預期目的。

1 DTC基本原理

    常規DTC中，可以推算出電磁轉矩Te：

式中：P為極對數，L_d為直軸電感，L_q為交軸電感，矩角δ為轉子磁鏈ψ_f，與定子磁鏈ψ_s夾角。對于隱極式永磁同步電動機，L_d=L_q=L_s，則：

由式(2)知道：對于永磁同步電動機，轉子磁鏈幅值一般為恒值，若定子磁鏈幅值|ψs|保持額定值，電磁轉矩Te正比于sin δ。即通過保持定子磁鏈幅值恒定，改變定子磁鏈旋轉速度和方向瞬時調整轉矩角，可實現轉矩的動態控制。

    對定子磁鏈的控制，由德國學者M．Depenbrok和日本學者I Takahashi提出的定子磁鏈模型：

式中：is為定子電流，Vs為定子電壓，R_s為定子電阻。定義電機定子初始磁鏈ψ_s0，當忽略定子電阻時，由式(3)，定子磁鏈ψ_s可表示為：

式中：i=l、2、3、4、5、6。由式(4)可以知道：定子磁鏈矢量ψs的端點將沿著所施加的空間電壓矢量Vs的方向運動；ψs的幅值、運動方向和速度都可以通過選擇合適的空間電壓矢量Vs調節。

    圖1為理想磁鏈圓扇區劃分及對應扇區電壓矢

量選擇圖，可以確定電壓矢量選擇表，如表l所示。

    表1中，Ψ_H、T_H分別表示磁鏈和轉矩滯環控制器的輸出。當磁鏈和轉矩的參考值ψ_s、T_e與磁鏈和轉矩的實際值Ψ_s、T_e的差值大于滯環寬度時誤差狀態為l，即需要增加磁鏈或轉矩；否則為O，即需要減小磁鏈或轉矩。N為磁鏈所處扇區的扇區號。

2扇區過渡

    對常規永磁同步電動機直接轉矩