稀土永磁同步电机——调速永磁同步电动机的直接转矩控制

    一、概述

直接转矩控制（DTC）是继矢量控制之后在20世纪80年代提出的又一高性能交流电动机控制策略，已成功应用于感应电机中，在永磁同步电动机中的研究和应用也得到了广泛的关注。相对于矢量控制，直接转矩控制省去了复杂的空间坐标变换；只需采用定子磁链定向控制，便可在定子坐标系内实现对电动机磁链、转矩的直接观察和控制。由于只需要检测定子电流即可准确观测定子磁链，解决了矢量控制中系统性能受转子参数影响的问题。在实施DTC时，将磁链、转矩观测值与给定值之差经两值滞环控制器调节后便获得磁链、转矩控制信号，再综合考虑定子磁链的当前位置来选取合适的电压空间矢量，形成对电动机转矩的直接控制。直接转矩控制基于MT坐标系，因此本节对永磁同步电动机DTC的介绍从永磁同步电动机的M T坐标系下的转矩方程开始，给出其电压矢量的产生、磁链和转矩的控制，最后给出DTC的系统结构。

二、永磁同步电动机M ' T坐标系下的转矩方程

由式（1于3）可知，永磁同步电动机的电磁转矩取决于定子交、直轴电流，还没有达到完全解藕。为此需进行坐标变换解藕，求出在以定磁链代方向为M轴的Me一T坐标系中永磁同步电动机的转矩方程。图10一22为凸极式永磁同步电动机MT坐标系及d一q坐标系的关系图及电动机各相量。图中，A为定子A相绕组轴线，代为定子磁链，该磁链包括定子电流产生的磁链代和永磁磁链哟，其幅值表示为下式永磁同步电动机输出转矩与定子磁链幅值、转子磁链幅值及定转子磁链夹角占的正弦成正比。在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心，永磁同步电动机转子磁链幅值也为恒值，要改变电动机转矩的大小，可以通过改变定、转子磁链夹角的大小来实现，这就是直接转矩控制理论的指导思想。

三、基于定子相电压矢量的定子磁链控制

定子电压矢量“，由下式给出。

定子磁链沿电压矢量方向的运动如图10一24所示。为了方便选择电压矢量以控制定子磁链幅值，将电压矢量平面分成6个部分，如图10一25中的01 、氏、氏、氏、几、几所示。在每一个部分，选定两个相邻的电压矢量用来控制磁链叭的大小。当磁链在01范围时，电压矢量UZ和U3就可以用来控制磁链的大小，使其在确定的磁链变化范围内。

在直接转矩控制中，电机定子磁链的幅值通过上述电压矢量的控制而保持为额定值，要改变转矩大小，可以通过控制定、转子磁链之间的夹角来实现，下面分析如何通过电压矢量的控制调节定、转子磁链之间的夹角占。由于转子磁链的转动速度保持不变，因此夹角占的调节可以通过调节定子磁链的瞬时转动速度来实现。由式（10一68）可以看出，当施加零电压矢量时，定子磁链位于其初始位置，这对感应电机完全正确，这是由于感应电机的定子磁链由定子电压唯一确定。但对永磁同步电动机，由于永磁体随转子旋转，当定子施加零电压矢量时定子磁链将变化。因此，在永磁同步电动机中，不采用零电压矢量控制定子磁链，即定子磁链一直随转子磁链的旋转而旋转。假定电机转子逆时针方向旋转，如果实际转矩小于给定值，则选择使定子磁链逆时针方向旋转的电压矢量，这样角度母增加，实际转矩增加；一旦实际转矩高于给定转矩，则选择的电压矢量使定子磁链反方向旋转，从而导致角度占降低，实际转矩降低。通过这种方式选择电压矢量，定子磁链一直旋转，且其旋转方向由转矩滞环控制器决定。表10一1为逆变器开关表，其中势和二分别为磁链和转矩滞环控制器的输出。如果,