摘要：本文在定子靜止坐標(biāo)系下建立了表貼式永磁同步電機(jī)（SPMSM）的數(shù)學(xué)模型，分析了表貼式永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制原理。基于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，建立該系統(tǒng)的整體仿真模型。仿真結(jié)果表明，采用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速跟蹤，具有較高的動(dòng)、靜態(tài)性能，有效地減小了電動(dòng)機(jī)磁鏈以及轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，改善了交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

　　關(guān)鍵字：靜止坐標(biāo)系；永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制

　　Study of Surface Permanent Magnet Synchronous Motor direct torque control

　　0 引言

　　直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型變頻調(diào)速技術(shù)，于20世紀(jì)80年代由德國(guó)學(xué)者M(jìn).Depenbrock和日本學(xué)者I.Takahashi首先針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)提出，90年代由Zhong.L,RahmanMF,HuYW等學(xué)者提出永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論。它采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算并控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式控制(Band-Band控制)產(chǎn)生脈寬信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。

　　DTC具備控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)依賴少、對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)中，在家用電器、汽車工業(yè)、電力機(jī)車牽引等工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。

　　本文給出了一種基于表貼式永磁同步電機(jī)（PMSM）的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。在分析表貼式永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了該系統(tǒng)的控制原理，通過MATLAB/Simulink工具建立了該系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果表明該控制方法可以有效地實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速跟蹤，該系統(tǒng)具有較高的動(dòng)、靜態(tài)性能，有效地減小了電動(dòng)機(jī)磁鏈、轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，改善了交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

　　1、表貼式永磁同步電機(jī)(SPMSM)數(shù)學(xué)模型

　　在研究交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型時(shí)，常作如下的假設(shè)：

　　（1）定子繞組三相對(duì)稱，各相繞組軸線在空間上互差120電角度；

　?。?）轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，永磁體沒有阻尼作用；

　?。?）忽略磁路飽和、磁滯和渦流影響，可用疊加原理進(jìn)行分析；

　?。?）反電勢(shì)正弦，定子電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布磁勢(shì)，忽略高次諧波。

　　電壓方程為：

　　2 SPMSM-DTC控制原理

　　直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方法采用空間矢量分析方法直接在定子靜止坐標(biāo)系中分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建轉(zhuǎn)矩和磁鏈的算法模型，計(jì)算和控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，借助于滯環(huán)控制器（Bang-Bang控制）產(chǎn)生PWM信號(hào)，通過開關(guān)表直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。

　　基本原理是充分利用電壓型逆變器的開關(guān)特點(diǎn)，通過不斷切換電壓狀態(tài)，使定子磁鏈軌跡逼近圓形，并通過零電壓矢量的穿插來改變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及其變化率，從而使交流電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩按要求快速變化。

　　永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖2-1所示，由逆變器、PMSM、磁鏈估算、轉(zhuǎn)矩估算、轉(zhuǎn)子位置估算、開關(guān)表、PI調(diào)節(jié)器、滯環(huán)比較器等組成?？刂葡到y(tǒng)將電機(jī)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出作為轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)；同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)的電機(jī)三相電流和電壓值，利用磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型分別計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的大小，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、電機(jī)給定磁鏈和轉(zhuǎn)矩磁鏈與實(shí)際值的誤差；最后根據(jù)它們的狀態(tài)選擇逆變器的開關(guān)電壓矢量，使電機(jī)能按控制要求調(diào)解輸出轉(zhuǎn)矩，最終達(dá)到調(diào)速的目的。

　　圖2-1永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

　　3 SPMSM-DTC仿真模型組建

　　基于上述的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB環(huán)境下，利用Simulink工具，建立了表貼式永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的整體仿真模型，如圖3-1所示。

　　圖3-1系統(tǒng)整體仿真模型

　　4 仿真結(jié)果及分析

　　利用上述在MATLAB/Simulink下建立的仿真模型，在MATLABR2010a下進(jìn)行仿真，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：

　　采電機(jī)轉(zhuǎn)速、定子磁鏈?zhǔn)噶?、磁鏈幅值、電磁轉(zhuǎn)矩的仿真波形分別如圖（a）、（b）、（c）、（d）。

　　由仿真結(jié)果可以看出：電機(jī)啟動(dòng)速度很快，實(shí)際的速度能迅速的變化且無超調(diào)，在給定轉(zhuǎn)速變化較大的情況下，能快速跟蹤，說明直接轉(zhuǎn)矩控制確實(shí)具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能。除啟動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)建立的過程外，在靜、動(dòng)態(tài)過程中定子磁鏈運(yùn)行軌跡保持近似圓形，磁鏈幅值波動(dòng)不大，有效地減小了電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化時(shí)磁鏈的脈動(dòng)。加負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，電磁轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，波動(dòng)不大，改善了交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

　　5 結(jié)束語

　　直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子靜止坐標(biāo)系下分析了交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易于實(shí)現(xiàn)。在很大程度上解決了矢量控制中計(jì)算控制復(fù)雜，特性易受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響，實(shí)際性能難以達(dá)到理論分析結(jié)果等一些重大問題。本文建立了定子坐標(biāo)系下的永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，給出了一種基于表貼式永磁同步電機(jī)（SPMSM）的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，并在MATLAB仿真環(huán)境下建立了該系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果表明，采用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速跟蹤，具有較高的動(dòng)、靜態(tài)性能，有效地減小了電動(dòng)機(jī)磁鏈以及轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，改善了交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。