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永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究

来源：抵帆知识网

第17卷第1期电工技术学报2002年2月

永磁同步电机直接转矩控制系统理论及

控制方案的研究

StudyoftheSchemeandTheoryoftheDirectTorqueControlinPermanent

MagnetSynchronousMotorDrives

田　淳　胡育文(南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室　210016)

TianChun　HuYuwen(NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics　210016　China)

　　摘要　进一步研究了永磁同步电机直接转矩控制理论,明确了零电压矢量在控制过程中的作

用,实现了基于定子磁链观测的永磁同步电机调速系统。电机系统具有良好的性能。实验结果论证了该方法在永磁同步电机拖动系统中的实用性。

关键词:永磁同步电机　直接转矩控制　磁链中图分类号:TM92115

Abstract　Thispaperimprovesthetheoryofdirecttorquecontrol(DTC)inpermanentmagnetsyn2chronousmotor(PMSM)andimplementsthevariable-speedPMSMsystem1Thefunctionofzero-voltagevectorisproposedinthecontrolmethod1ThesystemhasshowngoodperformancesanditsexperimentalresultsverifythereliabilityandpracticabilityofthismethodinPMSMdrives1

Keywords:Permanentmagnetsynchronousmotor　Directtorquecontrol　Fluxlinkage

1　前言

异步电机直接转矩控制是80年代中期提出的,该控制方法摒弃了矢量控制的解耦思想,实行定子磁场定向,避免了矢量控制中复杂的坐标变换,定子磁链的估计仅涉及定子电阻,减弱了对电机参数的依赖性;该控制方法控制简单,转矩响应快,动态性能好。鉴于直接转矩控制在异步电机中的优点,目前一些学者致力于该控制方式在同步电机上的拓展,初步实现了永磁同步电机的直接转矩控制,体现了直接转矩控制简单的控制方法及优良的动态性能等特点[1]。但是,这些工作还只是初步的,有许多问题尚待深入研究。例如,文献[1]中明确指出,在永磁同步电机的直接转矩控制中,不用零矢量参与控制,这点与异步电机直接转矩控制有较大的不同。事实上,笔者之一参与了文献[1]

航空基础科学重点基金项目资助(98Z52001)。

的研究和实验,按异步电机的控制逻辑将零矢量看成有降低转矩的作用,永磁电机确实无法运行,只有去掉零矢量后才能正常运行。从这实验可以表明,永磁电机直接转矩控制理论的建立还有待深入,否则无法解释零矢量不能运用和如何运用零矢量的问题。本文旨在对其控制方案进行进一步的探讨,提出零矢量用于逆变器开关控制表的新型方案,同时在新方案下实现永磁同步电机直接转矩控制系统。

2　永磁同步电机直接转矩控制理论

如图1所示,dq坐标系是转子上的旋转坐标系,其中转子磁链的轴向为d轴的正向,d轴与a

相绕组的夹角为θr。xy坐标系为定子上的旋转坐标系,定子磁链的方向为x轴的正向。x轴与d轴的夹角为转矩角δ,如忽略定子电阻,转矩角δ实

田　淳　女,1974年生,博士研究生,研究方向为电力电子技术及电力传动。胡育文　男,1944年生,教授,博士生导师,研究方向为电力电子技术与运动控制。

8电工技术学报2002年2月

3　永磁同步电机直接转矩控制方案

311　系统控制方案

图2为永磁同步电机直接转矩控制速度控制系统框图。逆变器输出电压矢量有8组,其中6组

V1(100)、V2(101)、V3(001)、V4(011)、V5(010)、V6(110)为运动矢量,2组V0(000)、V7(111)为零矢量。虚框内各功能由DSP软件完

成。整个系统由磁链闭环和转速/转矩闭环两个控制环组成。由于ψs=

图1　定、转子参考坐标系

Fig11　Twodifferentreferencecoordinates

(u-∫

r1i)dt,如果忽略定

(6)

子电阻不计,则在同一个控制周期内,

ψs=uΔt+ψ0

际就是我们熟知的功角,此处要重新定义转矩角δ的目的是希望寻找到空间电压矢量能直接影响的物理量,功角不能成为这个量,而转矩角δ则有此属性。由于xy坐标系和dq坐标系都是旋转坐标系,不同的是xy坐标系固定在定子旋转磁链上,dq坐标系固定在转子旋转坐标系上,在恒定负载并在稳定运行时,这两个坐标系同步,从而此时的转矩角δ恒定。瞬态时,转矩角随着定、转子旋转速度的不同而不断改变。转子静止dq坐标系下电机磁链、电压、转矩的表达式为

ψd=Ldid+ψf

(1)

ψq=Lqiq

ψd-ωrψqUd=Rsid+p

ψq+ωrψdUq=Rsiq+p

(2)(3)

　　显然,与异步电机类似,运动矢量(u≠0)

能迅速改变ψs的幅值和角度,且根据ψs所在的扇区θ和实际磁链的大小(由<决定,当<=1时应增大磁链,当<=0时应减小磁链),能选择适当的运动矢量保持|ψs|恒定。但对转矩的控制,则和异步电机有较大差异,要深入研究此时零矢量的表现。

3p(ψdiq-ψqid)2

经坐标变换可得定子坐标系xy轴上的转矩为

3pψδ-ψs(Lq-Ld)sin2δ2ψT=sfLqsin4LdLq

(4)

图2　永磁同步电机直接转矩控制系统框图

Fig12　ThedirecttorquecontrolPMSMsystem

当定子磁链保持恒定时,则转矩变化的表达式为

3pψsdTδ2ψ󰂻cosδ+=fLq

dt4LdLq

2ψs(Ld-Lq)δ󰂻cos2δ　　　　

(5)

312　零矢量在永磁同步电机直接转矩控制中的作用

　　由式(5)可知,在一定条件下[1],保持定子

磁链为一恒定值,电机的电磁转矩随着定、转子磁链夹角的变化而变化。因此,尽可能快地改变这个夹角可以得到快速的转矩响应。

电机的转矩T和转矩角δ密切相关,而δ的改变和两个因素有关(见图3),一是定子磁链旋

δs,二是转子磁链旋转角度的改变转角度的改变Δ

Δδ前者可以用空间电压矢量的方法强迫ψs迅速r。δ变化,而获得较大的Δs变化,后者依靠转子的转

δ速ωr来改变Δ它们的关系式为r。

在忽略定子电阻压降的条件下,有

第17卷第1期田　淳等　永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究9

Δδ=ΔδδΔt/ψs±ωrΔts+Δr=u1・

(7)

转矩落差不会超过额定转矩的212%;如果转速比

额定转速低的话,则这个变化还要小。例如,电机在5Hz下转动时,转矩落差不会超过3‰。相反,Δδs引起的转矩变化就要大得多。实验证明,当电机处于加速时,能在1ms内将电磁转矩从0提升到

δTe,完全是运用空间电压矢量强迫ψs改变Δs,

图3　定、转子磁场旋转示意图

Fig13　Thestatorandrotorrotatingfluxlinkages

μs)内,那么在一个控制周期(80

ΔTTe

达8%。因

δs=0,Δδ只由Δδ当施加零矢量时,u1=0,Δr引

起。

δΔδ为了便于考察Δs、r的大小,现作如下计

算:假如有一对极的隐极式同步机,根据式(4),转矩为

3p|ψs|ψfT=sinδ

4Ld令δ=

π时,T为额定值Te,则2

3p|ψs|ψfTe=

4Ld

ΔTTe

δ的主要成分是Δδδ此,可得如下结论:Δs,而Δr

则占的比例很小,可以忽略不计。在施加零矢量

δ可近似为0,即转矩基本保持恒定(事实时,Δ

上总略有减小),这就是零矢量在永磁同步电机直接转矩控制中的独特作用。

零矢量的作用和其在异步电机系统有很大不同,详见表1。在异步电机中,转矩的变化和转差有关,转差是角度的微分。在施加零矢量时,尽管转矩角变化不大,但它的微分可能很大。事实也是如此,ψs因零矢量而在空间停止不动,但转子仍然按原转速惯性运动,异步电机的转差,从一个较小的正值,突变成较大的负值,产生巨大的制动转矩,而使电磁转矩快速下降。同步电机中无转差的概念,转矩只和转矩角有关,不存在微分的关系,只要转矩角变化不大,转矩就变化不大,因此,单Δδr不会产生较大的转矩下落。何况直接转矩控制的转矩闭环是滞环控制,它的本质就是有一定脉

δ动,Δr产生的微小落差和该脉动相比较小,因此,可忽略它的影响。

因此有

Δδ=cosδ・(8)

μs当电机用50Hz速度旋转时,在控制周期Δt=80δΔt=01025rad,当δ内转子旋转的角度为Δr=ωr

ΔTΔT=90°时,=0,当δ=60°时,=1125%,当

δ=30°时,

ΔTTe

=212%。

可见,在额定转速50Hz时,δ在30°～90°这么宽的角度内,零矢量在一个控制周期内产生的

表1　零矢量在异步电机系统和同步电机系统作用的差别

Tab11　Thedifferentfunctionsofzero-vectorbetweeninductionmotorsystemandsynchronousmotorsystem电机类型

零矢量的作用

T3-T>ΔT/2

控　制　规　律

　选择运动矢量使转矩上升

异步电机使电磁转矩急剧下降

T3-T

ΔT/2　采用前一时刻电压矢量≤

选择零矢量使转矩下降T3-T<-ΔT/2　

同步电机1

(文献1)

T3-T>ΔT/2

　选择运动矢量使转矩上升

不用零矢量

T3-T

ΔT/2　采用前一时刻电压矢量≤

选择运动矢量使转矩下降T3-T<-ΔT/2　

T3-T>ΔT/2

同步电机2

(本文)

　选择运动矢量使转矩上升

基本保持电磁转矩不变

-TΔT/2　选择零矢量保持当前转矩≤

选择运动矢量使转矩下降T3-T<-ΔT/2　

　　表中,T3和T分别为转矩给定值和实际值,

ΔT为转矩的滞环宽度。可见,零矢量在永磁电机

系统只有微弱降低转矩的作用,它和异步电机系统中的零矢量作用有较大的区别。利用这一特点,可

10电工技术学报2002年2月

把零矢量看作保持当前转矩的作用,利用其可以减少逆变器开关次数和转矩的脉动。该特点在电机系统重载时特别明显。在小负载时,也只有高速情况下,零矢量带来的转矩下降才略微明显。

τ和θ能综合选出每一时刻的最根据参数<、佳空间电压矢量。为便于比较,将文献[1]中的

控制规律(无零矢量)列为表2,将本控制方案的控制规律(有零矢量)列为表3。

表2　文献[1]无零矢量的逆变器开关表

Tab12　Switchingtablewithoutzero-vector<

-11

-1

U6U3

U1U4

U2U5

U3U6

U4U1

U5U2

θ1

θ2

θ3

θ4

θ5

θ6

表3　本文采用零矢量的新型开关表

Tab13　Switchingtablewithzero-vector

0-11

0-1

θ1

U2U7U6U3U0U1

θ2

U3U0U1U4U7U2

θ3

U4U7U2U5U0U3

θ4

U5U0U3U6U7U4

θ5

U6U7U4U1U0U5

θ6

U1U0U5U2U7U6

图4　不同开关表下永磁同步电机速度阶跃响应

及转矩响应曲线

Fig14　speedstepresponsesandtorqueresponsesofPMSMsystemusingtwoControlstrategies

4　实验结果

实验电机为一台1kW、4极永磁同步电机,其

主要参数如下:额定电压UN=220V,额定转速nN

Ω,直轴电感Ld=1500r/min,定子电阻Rs=20151

=011133H,交轴电感Lq=0111295H,转子感应到

中,图5a为电机从额定转矩正向最大到负向最大

(+5N・m～-5N・m)阶跃变化时,转矩响应曲线。从图中显示,电机转矩响应时间为2ms左右,也即从0转矩到额定转矩只要1ms,表明电机具有优秀的转矩响应能力。图5b为电机从50～1500r/min阶跃变化时,实际转速响应曲线和磁链变化波形,转速响应时间为190ms,系统速度响应特性优良。

定子侧磁链ψf=016115Wb。系统的控制周期为μs。图4为两种控制策略下电机空载转矩响应,80

从图4中可以看到,电机转速给定从20r/min跳变到500r/min和反跳变时,图4b转矩的脉动幅值和次数都小于图4a,从而可以证明采用零矢量可以很好地抑制转矩的脉动。图5为本控制方案下永磁同步电机调速系统动静态特性曲线。其

5　结论

本文研究了永磁同步电机直接转矩控制理论,

特别分析了零矢量在同步电机直接转矩控制方案的作用,利用其抑制电机转矩脉动,并作了实验比较;实验表明具有零矢量的电机系统不但能正常运

第17卷第1期田　淳等　永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究11

行,且具有较好的动、静态性能和实用性,关键是

正确了解零矢量在同步电机系统的作用,并予以合理应用。

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收稿日期　2001-08-20

图5　直接转矩控制永磁同步电机系统的动态特性图

Fig15　ThetransientcharacteristicsoftheDTC

PMSMsystem

(上接第16页)

tionmotorwithunknownrotorresistance1IEEE

法简单,实现了磁链和速度控制的完全解耦,并对转子电阻与负载的变化呈现出较好的鲁棒性。

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