永磁同步電動機直接轉矩控制零矢量的應用研究

    雷彥，齊蓉

(西北工業大學，陜西西安710072)

    摘要：進一步研究了永磁同步電動機直接轉矩控制理論，分析了零電壓矢量在永磁同步電動機中的作用，構造了一種新型的含零電壓矢量控制開關表。對非零電壓矢量和含零電壓矢量兩種控制方式進行了比較研究。仿真和實驗結果表明：正確的使用零電壓矢量能夠有效減少轉矩脈動和電流波形畸變，從而改善系統控制性能。

    關鍵詞：永磁同步電動機；直接轉矩控制；零電壓矢量開關表

    中圖分類號：TM341  文獻標識碼：A  文章編號：1004一7018(2008)I}5—0040—03

0引  言

    直接轉矩控制(以下簡稱DTD^[1]于20世紀80年代針對異步電動機提出，該控制方法的主要思想是通過控制定子磁鏈實現對轉矩的直接控制。與傳統的矢量控制^[2]相比，不需要進行解耦從而避免了復雜的坐標變換，定子磁鏈的估算僅涉及定子電阻，減弱了對電機參數的依賴性。此外DTc無需對轉子磁場精確定位，僅需知道起始區間即可。因此DTc方法簡單，轉矩響應快，動態性能好。鑒于直接轉矩控制在異步電動機中的優點，許多學者已將其應用于同步電動機中，實現了永磁同步電動機直接轉矩控制，并體現了直接轉矩控制的簡單性和快速動態響應特點。非零電壓矢量在異步電動機和同步電動機中應用原理是相同的，但零矢量的應用^[3,4]有較大區別。異步電動機中，轉矩增量、磁鏈增量都與轉差有關，而轉差與轉子的空間位置角的變化率有關。由三相電壓逆變器得到8個電壓空間矢量，包括其中6個非零電壓矢量和2個零電壓矢量。非零電壓矢量作用時，會得到一個磁鏈增矢量和較大的轉差，零電壓矢量作用下只能得到一個較大的轉差，但無磁鏈增矢量產生。因此零矢量和非零矢量均能引起轉差變化，從而引起電機轉矩的快速變化。這是零電壓矢量在異步電動機轉矩控制中得以應用的原因。永磁同步電動機中沒有轉差的概念，不能利用轉差來控制電機的轉矩，但這并不表示零矢量在永磁同步電動機中不能使用。本文分析了同步電動機轉矩增量原理及其零電壓矢量在同步電動機中的作用，提出了一種新型零矢量DTc的開關表。研究結果表明永磁同步電動機DTc中采用零電壓矢量，可在滿足電機動態性能的同時，有效抑制轉矩和磁鏈脈動，若將開關表進行一定改動后能夠減少逆變器開關頻率，適合高頻化應用^[5]。

1永磁同步電動機直接轉矩控制理論

    在實際的永磁同步電動機直接轉矩控制系統中，為便于計算和分析，需要進行坐標變換。abc坐標系是定子三相靜止坐標系，αβ坐標系是定子兩相靜止坐標系，d_rq_r是轉子兩相同步旋轉坐標系，d_sq_s定子兩相同步旋轉坐標系。其中δ為定、轉子磁鏈Ψ_s、Ψ_f機之間的夾角，即電機功角，本文也把它叫轉矩角。

 

  忽略電機鐵心的飽和，不計電機的渦流和磁滯損耗，且電機的相電流波形為對稱的三相正弦波。轉子旋轉d，gT坐標系下永磁同步電動機數學模型：

式中：U_d、U_q為定子直軸、交軸電壓；Ψ_d、Ψ_q為定子直、交軸磁鏈；i_d、i_q為定子直、交軸的電流；Ψ_f為轉子磁鏈；R為定子繞組電阻；ω_r為轉子機械角度；T_e為電磁轉矩；p為電機磁極對數。經坐標變化可得定子同步旋轉d_sq_s坐標下轉矩表達式：

   對于隱極式永磁同步電動機L_d=L_q，在定子磁鏈Ψ_s大小不變條件下，對式(6)微分，轉矩增量和功角之間的關系如下：

    因此永磁同步電動機轉矩增量僅與功角和功角增量有關，與角度變化率轉差無關。通過迅速改變轉矩角δ，轉矩得到快速響應。

2零電壓矢量在直接轉矩控制中的作用

  永磁同步電動機轉矩角的變化Δδ是定子磁鏈引起的角度變化Δδs與轉子磁鏈引起的角度變化△δ