梅 妮 张 波
斯塔尔报告 （华南理工大学电力学院，广州，510640）
摘要: 永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制已成为目前一个研究热点，它不同于异步电动机直接转矩控制，也不同于一般同步电动机直接转矩控制，有其明显的控制特点。本文在分析永磁同步电机模型和直接转矩控制原理基础上，介绍几种智能算法在直接转矩控制调速系统中的应用，展望了PMSM直接转矩控制今后的研究方向。
关键词: 直接转矩控制; 永磁同步电机; 调速系统
Direct Torque Control of Permanent Magnet Synchronous Motors Intelligent Algorithms Analysis
Meini, Zhangbo
(Power Electric College of SCUT, Guangzhou, 510640)
Abstract: At present, direct torque control (DTC) of permanent magnet synchronous motors (PMSM) has already become a research focus. DTC-PMSM has obvious control characteristics, which is different from DTC of asynchronous motor and also different from DTC of general synchronous motor. This paper analyzes the model of PMSM and control theory of DTC, then introduces several intelligent control algorithms applied in DTC speed-adjusting system. The research direction of DTC in PMSM in future is expected.
Keywords: Direct Torque Control, Permanent Magnet Synchronous Motor, Speed-adjusting System
1 引言
直接转矩控制是由德国水利工程建设项目招标投标管理规定Depenbrock 教授和日本Takahashi 教授在20 世纪80 年代中期针对异步电机的控制分别提出[1，2]。细胞球它具有以下方面的特点[3]: ①直接在定子坐标系下分析交
流电动机的数学模型、控制电机的磁链和转矩，无需为解耦而简化数学模型，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算；②使用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其物理量，从而使问题变得简单明了；③直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以对定子磁链进行观测，大大减少了矢量控制中控制性能易受参数变化影响的问题；④强调的是转矩直接控制和效果，主要包括两层含义：直接控制转矩和对转矩的直接控制。
近年来，永磁同步电机(PMSM) 以其结构简单、体积小、重量轻、高转矩/惯性比、高效率等优点，在数控机床、工业机器人以及航空航天等领域得到日益广泛的应用。国内外有不少学者开始尝试永磁同步电机直接转矩控制的理论研究[4]除铁。随着现代控制技术的发展，现代控制理论的各种新思想开始应用到永磁同步电机直接转矩控制系统中。在分析直接转矩控制性能的基础上，本文综述了最近研究十分活跃的模糊控制、神经网络控制、滑模变结构控制等在直接转矩控制系统中的应用。
2 PMSM直接转矩控制理论概述
2.1 永磁同步电机模型
在文献[5]中，作者提出了PMSM的直接转矩控制理论。建立如图1所示的PMSM矢量图，其中坐标系是固定在转子上的旋转坐标系，打火机组装坐标系是固定在定子上的旋转坐标系。PMSM具有正弦形的反电势波形，其定子电压、电流也应为正弦波。假设电动机是线性的，参数不随温度的变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，且转子无阻尼绕组，那么可以导出在定子旋转坐标系下永磁同步电机的电磁转矩方程为:
(1)
由于永磁同步电机转子磁场恒定，所以转子磁链幅值恒定， 当定子磁链幅值保持恒定时， 转矩变化的表达式为:
(2)
由上式可知， 当定子磁链幅值保持恒定为一适当的值时，电机的电磁转矩变化正比于定、转子磁链夹角的变化。在恒定负载、稳态运行时，定、转子磁链都以同步速旋转， 此时转矩角为恒定值； 瞬态时，则因定、转子旋转速度的不同而不断改变。因此通过对逆变器开关状态的适当选择，保持定子磁链幅值近似恒定， 控制定子磁链空间矢量旋转速度， 即快速改变定、转子间的磁链夹角， 就能控制永磁同步电动机的输出转矩。
修正主义
图1 不同坐标系下电机矢量图
Fig. 1 PMSM Vectorgraph in Different Reference Frame
2.2 控制原理
直接转矩控制技术采用空间电压矢量分析法直接在定子坐标系上计算与控制电机的转矩，应用定子磁场定向，借助于离散的两点式（band-band）控制，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制。在直接转矩控制中， 电压空间矢量是一个非常重要的物理量。逆变器的六个工作电压状态，给出六个不同方向的运动电压空间矢量，它们周期性的顺序出现，相邻两个矢量之间相差60°，电压空间矢量幅值不变。两个零开关状态给出两个零电压空间矢量，它们位于六边形的中心。适当的选择电动机的空间电压矢量，可以使磁链的运动轨迹近似为圆形。电压空间矢量的选取原则是该矢量能使定子磁链在一个控制周期内改变尽可能大的角度，即转矩变化最大。
直接转矩控制系统原理框图如图2。其整个系统由磁链闭环和转速／转矩闭环两个控制环组成。它的工作原理是：控制系统根据电机三相电流和电压值，利用磁链模型和转矩模型分别实时估算电机的磁链、转矩大小及电机定子磁链所在扇区，之后将给定转矩（由速度估算经PI整定调节输出）和给定磁链分别与实时计算值进行滞环比较，最后根据比较值的控制要求，合理选择逆变器的开关矢量，使电机能按控制要求调节输出转矩，最终达到调速目的。
图2 PMSM直接转矩控制系统框图
Fig.2 PMSM Direct Torque Control System Frame
2.3 PMSM直接转矩控制的弱磁控制
随着稀士永磁材料的发展，高性能的永磁材料应用到电机中，使得永磁电机的抗去磁能力增强，为电机的高速弱磁运行提供了可能性。永磁同步电机直接转矩控制系统能够直接控制定子磁链， 因此其弱磁控制变得很容易，且比矢量控制简单。永磁同步电机的弱磁控制的基本思想是利用电机直轴电枢反应， 使电机的气隙磁场减弱， 达到等效于直接减弱励磁磁场的控制效果。文献[6]首次将内永磁同步电机直接转矩控制拓展到弱磁范围，具有对电流母线电压的最大利用和控制受电机参数影响小等优点。
2.4 无传感器PMSM直接转矩控制系统
速度是实现直接转矩控制的一个重要参数，为提高系统的控制性能， 应采用速度闭环控制， 因此需要检测电机的转速。传统的电机转速检测装置多采用测速发电机或光电编码器，而这些速度传感器的安装、维护、非线性和低速性能，特别是测量的精确性直接影响了直接转矩控制的效果。无传感器技术是目前交流传动的一大发展方向，实现无速度传感器可以使系统的成本降低、可靠性高， 且适用于一些特殊的应用场合。因此，越来越多的学者将目光放在无速度传感器控制系统的开发上。针对凸极永磁同步电机提出了低速时利用高频信号注入和高速时利用反电动势相结合来估算永磁同步电机转子位置和速度的方法， 其估算原理简单明了[7]。其仿真结果表明提出的方法无论在低速还是高速都能有效地估算永磁同步电机转子位置和速度，能很好地跟踪转子的实际位置和速度。
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