稀土永磁同步電機——調速永磁同步電動機的直接轉矩控制

    一、概述

直接轉矩控制（DTC）是繼矢量控制之后在20世紀80年代提出的又一高性能交流電動機控制策略，已成功應用于感應電機中，在永磁同步電動機中的研究和應用也得到了廣泛的關注。相對于矢量控制，直接轉矩控制省去了復雜的空間坐標變換；只需采用定子磁鏈定向控制，便可在定子坐標系內實現(xiàn)對電動機磁鏈、轉矩的直接觀察和控制。由于只需要檢測定子電流即可準確觀測定子磁鏈，解決了矢量控制中系統(tǒng)性能受轉子參數(shù)影響的問題。在實施DTC時，將磁鏈、轉矩觀測值與給定值之差經兩值滯環(huán)控制器調節(jié)后便獲得磁鏈、轉矩控制信號，再綜合考慮定子磁鏈的當前位置來選取合適的電壓空間矢量，形成對電動機轉矩的直接控制。直接轉矩控制基于MT坐標系，因此本節(jié)對永磁同步電動機DTC的介紹從永磁同步電動機的M T坐標系下的轉矩方程開始，給出其電壓矢量的產生、磁鏈和轉矩的控制，最后給出DTC的系統(tǒng)結構。

二、永磁同步電動機M ' T坐標系下的轉矩方程

由式（1于3）可知，永磁同步電動機的電磁轉矩取決于定子交、直軸電流，還沒有達到完全解藕。為此需進行坐標變換解藕，求出在以定磁鏈代方向為M軸的Me一T坐標系中永磁同步電動機的轉矩方程。圖10一22為凸極式永磁同步電動機MT坐標系及d一q坐標系的關系圖及電動機各相量。圖中，A為定子A相繞組軸線，代為定子磁鏈，該磁鏈包括定子電流產生的磁鏈代和永磁磁鏈喲，其幅值表示為下式永磁同步電動機輸出轉矩與定子磁鏈幅值、轉子磁鏈幅值及定轉子磁鏈夾角占的正弦成正比。在實際運行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動機鐵心，永磁同步電動機轉子磁鏈幅值也為恒值，要改變電動機轉矩的大小，可以通過改變定、轉子磁鏈夾角的大小來實現(xiàn)，這就是直接轉矩控制理論的指導思想。

三、基于定子相電壓矢量的定子磁鏈控制

定子電壓矢量“，由下式給出。

定子磁鏈沿電壓矢量方向的運動如圖10一24所示。為了方便選擇電壓矢量以控制定子磁鏈幅值，將電壓矢量平面分成6個部分，如圖10一25中的01 、氏、氏、氏、幾、幾所示。在每一個部分，選定兩個相鄰的電壓矢量用來控制磁鏈叭的大小。當磁鏈在01范圍時，電壓矢量UZ和U3就可以用來控制磁鏈的大小，使其在確定的磁鏈變化范圍內。

在直接轉矩控制中，電機定子磁鏈的幅值通過上述電壓矢量的控制而保持為額定值，要改變轉矩大小，可以通過控制定、轉子磁鏈之間的夾角來實現(xiàn)，下面分析如何通過電壓矢量的控制調節(jié)定、轉子磁鏈之間的夾角占。由于轉子磁鏈的轉動速度保持不變，因此夾角占的調節(jié)可以通過調節(jié)定子磁鏈的瞬時轉動速度來實現(xiàn)。由式（10一68）可以看出，當施加零電壓矢量時，定子磁鏈位于其初始位置，這對感應電機完全正確，這是由于感應電機的定子磁鏈由定子電壓唯一確定。但對永磁同步電動機，由于永磁體隨轉子旋轉，當定子施加零電壓矢量時定子磁鏈將變化。因此，在永磁同步電動機中，不采用零電壓矢量控制定子磁鏈，即定子磁鏈一直隨轉子磁鏈的旋轉而旋轉。假定電機轉子逆時針方向旋轉，如果實際轉矩小于給定值，則選擇使定子磁鏈逆時針方向旋轉的電壓矢量，這樣角度母增加，實際轉矩增加；一旦實際轉矩高于給定轉矩，則選擇的電壓矢量使定子磁鏈反方向旋轉，從而導致角度占降低，實際轉矩降低。通過這種方式選擇電壓矢量，定子磁鏈一直旋轉，且其旋轉方向由轉矩滯環(huán)控制器決定。表10一1為逆變器開關表，其中勢和二分別為磁鏈和轉矩滯環(huán)控制器的輸出。如果,