永磁同步直流电动机的直接转矩系统设计

李博，张靖典

（西安工业大学北方信息工程学院, 陕西西安，710032）

0 引言

1823 年出现了世界上第一台电动机，它的定子由永磁材料所制造，也就是永磁体，所以它的定子可以自身产生励磁磁场，这就是永磁同步电动机。我国是盛产稀土钴永磁和钕铁硼永磁的国家，永磁矿物材料的储备量非常高。因此，对于我国来说，永磁电动机的发展有很好的应用前景。

直接转矩调速系统直接摒弃了解耦的思想。简单明了的对电动机的磁链进行分析，对转矩进行控制,并且用定子的磁链的定向作为最基本的准则，避开了电机中不易确定与测量的参数。所以直接转矩调速系统的控制更加简单直接,计算过程也更加方便。

本论文主要是探究直接转矩控制系统对于永磁同步直流电动机来说，是否可以提升其效率；以及直接转矩控制对其的影响和利弊陈述，并且基于此对这一过程进行理论分析。

1 永磁同步直流电动机的数学模型

永磁同步直流电动运行起来比较复杂。以下将分别介绍磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程。因为这四个方程式构成永磁同步直流电动机的数学模型的基础。

1.1 磁链方程

每个绕组的磁链自感磁链加上互感磁链就等于每个绕组的自身磁链，而互感磁链是其它的绕组对这个自身绕组所产生的。永磁同步直流电动机有六个绕组，所以就有六个磁链方程，这六个方程（1）如示。

或写成：

1.2 电压方程

或写成：

1.3 转矩方程

1.4 运动方程

其中 TL —负载阻转矩；J —机组的转动惯量。

转角方程为：

2 直接转矩控制系统

2.1 直接转矩控制系统的基本原理

图1 为永磁同步直流电动机的直接转矩调速系统的整个原理框图，此系统主要是通过控制电动机的磁链和转矩，以此达到控制整个电动机的目的。如图所示，*T 是由电磁转矩所产生的一个信号，而这个信号是由转速调节器（ASR）所输出而来的，而要想实现不被干扰的转矩控制，还需要其内环，因为它可以压制磁链的变化，使整个系统都实现解耦，所以只能把内环放在*T 后面。至于 sψ，它是转子磁链，而直接转矩控制系统就是要使它的幅值保持不变，然后改变定子磁链的运动速度，当其运动速度改变了，那么磁通角的大小也将改变，这就是直接转矩调速系统的控制方式。

图1 直接转矩控制系统图

2.2 直接转矩控制系统的特点

直接转矩控制系统主要有四大特点：

（1)简单直接。

（2)几乎不受参数的影响。

（3)误差非常小。

（4)性能优良。

以上特点，使得直接转矩控制系统一经推出，就立马被大众所接受，并且迅速得到了广泛的使用和传播。

3 直接转矩控制系统的建模与仿真

3.1 建立直接转矩控制系统仿真模型

如图3 所示，此图为直接转矩控制系统的仿真模型，在此仿真模型中，使用的是PI 调节器，此调节器的转速是积分制的，其输出是限幅的。而永磁同步直流电动机将采用基于α-β 坐标系的数学模型，定子的磁链采用带有滞环的双位式控制器，转矩调节器也和定子磁链一样。simulink中的s 函数编写编写电压矢量。

图2 永磁同步电动机直接转矩控制原理框图

图3 直接转矩控制系统仿真模型

3.2 仿真的结果与分析

在仿真的时候，永磁同步直流电机的参数为：直轴电感Ld=0.00851H,定子电阻Rs=2.8751Ω,永磁材料制成的转子的磁链ψf=0.1751Wb，交轴的电感Lq=0.00851H；极对数p=4；转动的惯量J=0.000851Kg·m²,滞系数B=O,磁链给定为ψs=1.2Wb,逆变器直流电压U=380V,考虑电机的理想状态，电机摩擦系数为零。速度环PI 调节器参数为kp=0.31，ki=23，系统仿真时间设为0.51s，此参数是经过反复调试而得到的。

①当空载启动时

图4 (b) 转速响应曲线

②当带负载启动时

图4 (c) 转矩响应曲线

图4 (d) 转速响应曲线

③当系统稳定时

图4 (e) 转矩响应曲线

图4 (f) 转速响应曲线

由上图可知在转速突变时，转矩波动较大，但能在12ms 左右便进入稳定，恢复原值。但是在直接转矩控制系统附加在永磁同步直流电动机的过程中，定子和转子的磁链以及电动机转矩的脉动都将立马上升，仍有很大的改进空间，对于产生磁链和转矩脉动的主要原因分析如下：

（1）滞环控制器不能及时控制误差，因此，稳态精度仍有待提高。

（2）在电机低速运行时，由于温度的变化，定子电阻阻值也会随之变化，从而影响永磁同步直流电动机的参数，从而使其低速性能变差。

（3）电压空间矢量的选择是通过滞环控制器的输出来控制的，因此只可能比较两个滞环控制器的输出，这样一来，电压空间矢量就是突变的，并且使得磁链和转矩也就发生突变，磁链和转矩脉动也就不可避免了。

4 结论

整篇论文的主要内容到此已经基本介绍完毕，现在对以上研究做一个归纳和总结，通过对研究内容的总结，不但为今后的研究工作打下一定的基础，还可以通过总结看出研究内容的一些不足之处，使之成为日后改进此项研究可以进一步进行的工作。

（1）通过简要介绍各个坐标以及各个坐标相互转换的原理和具体算法，在不同坐标系下，我们也分析并建立了各个情况下的数学模型。

（2）分析了PMSM 下DTC 系统的基本原理，其根本思想就是直接对转矩进行控制，在改变转矩角的同时是定子的磁链的幅值为一定的常数，以此来直接控制同次同步直流电动机的转矩，从而减少了大量而复杂的计算。

（3）用Matlab 软件中的Simulink 作为仿真工具，永磁同步直流电动机的直接转矩控制系统进行了仿真，并且得到了其模型，而且在此基础上，对其结果也进行了研究与分析。分析仿真结果，定子磁链波形基本符合圆形定子磁链的要求，且转矩和转速响应也基本符合预先的设想。但由于直接转矩的自身缺陷，使得定子磁链脉动仍然较大，并通过对仿真结果分析，讨论了该方法存在的问题，指出传统直接转矩控制系统磁链、转矩脉动大的根本原因是一个周期内只能选择一个基本电压矢量，且转矩和磁链误差不能被所施加的电压完全补偿。