永磁同步電机直接转矩控制及控制性能研究.docVIP

第五章 永磁同步电机直接转矩控制及矢量控制和直接转矩控制是交流电机的两种高性能控制策略，在永磁同步电机驱动控制中的应用与研究己受到众多学者的广泛关注。为了能够更好研究永磁同步电机的控制性能，提高永磁同步电机调速系统的动静态性能，本章针对永磁同步电机直接转矩控制系统，从空间电压矢量出发，在第章建立永磁同步电机不同的坐标系下的数学模型的基础上，永磁同步电机直接转矩控制和，并进行仿真实验研究，分析控制策略的正确性。 本文研究的转鼓实验台的恒转矩控制方式和惯量模拟控制方式，均采用直接转矩控制对测功机（即永磁同步电机）进行模拟加载。 磁同步电机直接转矩控制基本理论 电机在x、y坐标系下的数学模型 将永磁同步电机在同步旋转坐标系中磁链、电流和电压矢量关系表示在图5-1（即图4-1）中所示，图中定义为转矩角，即定子磁链和转子磁链之间的夹角。d、q为转子同步旋转坐标系，d 轴指向转子永磁磁链方向；x、y为同步旋转的坐标系，x轴指向定子磁链方向。假设轴超前d轴时转矩角为正，在忽略定子电阻的情况下，转矩角即为功角。当电机稳态运行时，定、转子磁链都以同步转速旋转。因此，在恒定负载的情况下转矩角为恒定值。当电机瞬态运行时，转矩角则因定、转子旋转速度不同而不断变化。 图5-1 永磁同步电机坐标系 由图5-1可推导出转矩角的表达式为 （5-1） 、：定子磁链在d、q坐标系下的分量：转子永磁磁链d、qL q ：定子电感的d轴分量，即交轴电感L d ：定子电感的q轴分量，即直轴电感。 将d、q坐标系中物理量转换到x、y坐标系，可以得到 （5-2） 反变换为 （5-3） F：可以代表电压、电流、磁链x、y[33][34] 由图5-1可知 （5-4） （5-5） 式中：定子磁链幅值。电磁转矩T e的矢量形式 式中：is ：定子电流（A）； ：定子磁链（Wb）。 综合式(5-2)、(5-5)，将(5-2)代入电磁转矩T e的矢量可以得到x、y轴系的转矩表达式 （5-6） 式(5-6)表明：如果定子磁链幅值恒定，那么转矩正比于定子电流的y轴分量。 x、y将式()的磁链变换式和电流变换式代入(4-30) 可得 （5-7） ，：定子磁链在、坐标系下的分量经变换得 （5-8） 即 （5-9） x、y[36][103] 由于定子磁链定向于x轴，有，的定子电流表达式为 （5-10） （5-11） 将式(5-10)、式(5-11)代入式(5-6)得到d、q坐标上的转矩表达式为 （5-12） 由电机的转矩表达式可知，电机的转矩可分为两部分，前一部分为电机的电磁转矩，它由电枢交轴电枢反应产生，后一部分为电机凸极结构产生的磁阻转矩。对于本文中采用的隐极式永磁同步电机来讲，Ld = Lq = Ls，转矩中的磁阻分量为零，转矩表达式为 （5-13） 式中：定子磁链相对于转子磁链旋转角速度：转矩角变化前一时刻的初值。从式(5-13)可知，当定子磁链保持幅值恒定时，转矩角从-90o变化到90o时，电机转矩随着转矩角增大而增大，且转矩角为90o时，转矩达到最大。 对式(5-13)的两边求导，电机转矩在t = 0时刻的增长率为 （5-14） 当转矩角在-90o~90o (电机稳定运行工作区，此时电动状态工作段为0o~90o) 范围内变化时，式(5-14)右边总为正，表明转矩随着转矩角增加而增加。 转矩控制系统 直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的具有高性能的交流变频调速技术，它摒弃了矢量控制中电流解耦的控制思想，去掉了PWM脉宽调制器和电流反馈环节，通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器，直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制。永磁同步电机直接转矩控制系统如图5-2所示。 工作原理及控制过程如下： （1）由传感器检测逆变器的直流母线电压和电机的两相电流，经坐标变换和系统控制规律，计算出电机反电势，对其积分以实现对定子磁链的估计（2）根据估计的磁链和实测电流来计算电机的瞬时转矩（3）根据d、q轴定子磁链来判别其位置所在的扇区（4）电机的转速可通过光电编码器获得，也可通过定子磁链的旋转速度估计得到，实现无速度传感器运行（5）若电机要求在给定转矩下运行，转矩给定值与实时计算出来的瞬时转矩相比较后，经滞环比较器产生转矩控制状态量（6）若电机要求在时变转矩（即实验台的惯量模拟方式）下运行，电机实际转速与由车速换算得到的给定速度比较后，经PI调节器输出电机转矩给定。转矩给定与实时计算出来的瞬时转矩相比较后，经滞环比较器产生转矩控制状态量（7）定子磁链给定值与实际值比较后得到的偏差经滞环比较器产生磁链控制状态量（8）通过三个控制信号、、从开关表中综合选取电压矢量输出逆变器驱动控制信号。 [2