双三相永磁同步电机直接转矩控制的创新研究

洪敏

摘要：直流电机和三相电机真正意义上地开启了电气时代，但越来越多的情形下需要更突出的性能表现，比如多相电机具有的高容错率、强稳定性和低损耗;永磁同步电机具有的高功率因数、特强节能等等优点。而结合两者优点的多相永磁同步电机无疑是新电气时代的宠儿，也已在各个尖端应用领域崭露头角，如何更得心应手地控制对提高生产力至关重要。本文以其中重要的机型--“双三相PMSM”作为研究对象，创新研究出一套直接转矩控制方案，并结合MATLAB R2013b进行仿真验证该研究成果的正确性。

关键词：双三相永磁同步电机;直接转矩控制（DTC）;MATLAB仿真

1.引言

传统生产生活中使用最广泛的除了直流电机外，就是三相交流电机。诚然其历史地位和技术成熟度不言而喻，但在电动汽车、国防军舰、航空航天等对容错能力和运行可靠性要求极高的新兴领域，往往更多的相数才能满足推进系统的需求。圉于汞弧整流器等的性能，过去对多相电机的控制研究备受冷落。直到GTO、Power-MOSFET等出现，解开了物理层面的禁锢，多相电机的应用技术才取得了重要的进展，其中的佼佼者如多相永磁同步电动机（Multiphase Permanent magnet Synchronous Motor，简记MPMSM）。而国内蕴藏着丰富的稀土矿源可以满足永磁体的生产，使得这种饱含潜能的机型更值得我们去开发和研究。MPMSM中主要为五相电机和六相电机。其中不对称的则是对应相互差30度，它又被成为双三相永磁同步电机。目前该型电机的大多数研究集中于采用矢量控制，或者借助模糊化接口等途径去实现直接转矩控制，对基于传统开关矢量表在谐波控制上的潜力发掘几乎为零，本文的创新研究成果，对MPMSM控制研究的具有其独特的意义。

2.多相电机的概述

我们知道多相机的机械原理是对应于传统的三相机的，所以按照运作方式它也能划归出异步机和同步机两种经典类型。其中，多相异步电机与传统的三相异步电机一样，其转子结构一般都设计为绕线式绕组结构或者鼠笼式绕组结构。而多相同步电机的分类也是跟传统的三相同步电机类似，都以如何构建转子磁场进一步分类，即永磁式和感应式两种。

还有，多相电机还能够按照不同的绕组接线方式归类为不对称绕组型与对称绕组型两种。其中，不对称型大部分都是n组m相对称结构绕组组成其定子绕组，并且每套绕组相应的相互差 电角度，这样的话就称该电机为n×m相电机，就像本文关注的双三相电机正是用2套三相对称结构绕组组成的。

3.双三相永磁同步电机的数学模型

我们讨论的双三相PMSM是反电动势为正弦波形的，有别于摒弃整流子的直流机。正如前章提到的，它的绕组分布和对称的六相永磁电机也有着差异。假若我们能置身电机内部，虽然可以看到十二个平分了圆周的绕组，但是这是由于每匝线圈有两个有效边。当我们从外面看时是不对称排布的6个出线端，也就是相当于对应相互差三十度的两套三相绕组的组合，如下图1中所示。

当电机通电后，相电流除了产生恒值的漏磁通外，还有与定子上其他相绕组交链的主磁通。由于主磁通穿过气息，当电动机运行时，凸极效应会引起主磁通路径的磁阻变化，进而使相对应的电感系数也产生变化。相应地代入计算，我们将先得到自然坐标系下的数学模型，根据谐波矢量的形式，我们将其转化为静止坐标系（ ）下的数学模型，而根据能有相同的旋转磁动势（转速w1）为原则，参考传统三相电机，我们将最终得到dq旋转坐标系下的双三相PMSM的數学模型。

4.双三相PMSM的DTC创新研究

双三相电机虽然定子上的绕组摆放异于六相，但是同样是采用6个桥臂组成的逆变驱动系统。我们用每相桥臂代表二进制的一位，则该驱动器的控制命令是一个6位的二进制数，其中“1”表示该相的上桥臂导通，用“0”表示其下桥臂导通。类比于6拍逆变器，那么这个逆变器输出的64个电压矢量中有4个零矢量，即有60个有效电压矢量，笔者姑且称它为60拍逆变器。如图2所示。

依次开关每个上桥臂，即把6位的二进制控制命令SaSbScSdSeSf从000000取到111111，则可以得到60拍逆变器在 平面和z1z2平面中输出的电压空间矢量。根据运算结果可以得到两个平面的空间电压矢量图，根据这两个矢量图中，同向电压的谐波分量相互抵消法则，并对控制周期T加以细分，以求得在开关周期内的积分和为零，我们可以得到一个近乎完美的最优开关表，从而完成这个创新DTC方案。

5.DTC创新方案的仿真验证

现使用Simulink对该双三相PMSM的DTC策略进行仿真，直流母线电压350V，定子磁链给定为0.33Wb，给定负载转矩为10N·m时，在转速设定在300r/min时，其稳态仿真波形如图3所示。

由而可见，相电流呈标准的正弦分布，而且实际转矩能够跟随给定转矩，且波动较小又稳定可控，成功验证了该DTC策略的正确性。

6.结束语

这次对双三相PMSM的创新DTC研究虽然有了可喜的成效，但是一些验证和可能性探索还有提升空间，这一机型在未来将有更大作为，是一个值得深入的研究领域。

参考文献

[1]李山.多相感应电机控制技术的研究[D].重庆大学，2009.

[2]王晋.多相永磁电机的理论分析及其控制研究[D].华中科技大学，2010.

[3]杨向宇.无刷双馈电机的设计分析及其调速系统的仿真研究[D].西安交通大学，2001.