永磁同步电机直接转矩控制系统的设计

永磁同步电机直接转矩控制系统的设计

屈振兵

神华准格尔能源有限责任公司010300

摘要：永磁同步电机以其结构简单、效率高、调速范围宽等优点，广泛应用于机械加工、航空航天和电力牵引等领域。本文以研究高性能的永磁同步电机直接转矩控制系统为目的，从空间矢量原理出发，介绍了调速系统中常涉及到的三相坐标系、两相旋转坐标系和两相静止坐标系，以及它们之间的变换理论，推导了永磁同步电机在各种坐标系下的数学模型，在此基础上详细地分析了永磁同步电机传统直接转矩控制的原理。最后，在MATLAB/Simulink环境下对传统的直接转矩控制系统进行仿真研究。

关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；Simulink仿真

Designofdirecttorquecontrolsystemforpermanentmagnetsynchronousmotor

Abstract:Permanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)iswidelyusedinmachining,aerospaceandelectrictractionforitsadvantagesofsimplestructure,highefficiencyandwiderangeofspeedregulation.Basedontheresearchofpermanentmagnetsynchronousmotordirecttorquecontrolsystemwithhighperformanceforthepurpose,startingfromthespacevectorprinciple,introducesthecontrolsystemthatisoftenusedinthethree-phasecoordinatesystemandtwo-phaserotatingcoordinatesystemandthetwo-phasestationarycoordinatesystem,andthetransformationbetweenthem,deducesthepermanentmagnetsynchronousmotorindifferentcoordinatesystemthemathematicalmodel,basedonthedetailedanalysisoftheprincipleoftraditionaldirecttorquecontrolofpermanentmagnetsynchronousmotor.Finally,thetraditionalDTCsystemissimulatedunderMATLAB/Simulinkenvironment.

Keywords:Permanentmagnetsynchronousmotor；directtorquecontrol；Simulinksimulation

0引言

电机包括发电机和电动机，电动机能够把电能转化为机械能，发电机反之。通过电动机得到的机械能替代了体力劳动，促进了生产力的发展。从1890年起，蒸汽机就慢慢被电动机所取代，成为了应用较为广泛的原动机。一个多世纪以来，电动机主要是由转子和定子构成，基本没有变化，但是电动机的种类和型号变得极其丰富，运行起来更加可靠，经济价格也变得越来越易于接受。这些年永磁同步电机发展很迅速，功率因数和效率不断地提高，慢慢取代了三相交流异步电动机。

永磁同步电机的控制策略主要有：调压调频控制（VVVF）、转子磁场定向矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）[1]。直接转矩控制理论最早由德国学者和日本学者首先针对异步电动机提出，之后部分学者将此控制方案开始应用于永磁同步电机。

1永磁同步电机简介

随着电机理论的发展，电力电子器件的不断进步和微电子技术的应用，以及稀土元素在永磁材料的使用，越来越多的人开始研究永磁同步电机的调速手段，并将其应用在实践中。永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor，以下简称PMSM）受到了越来越多的关注，主要具有以下优点：转子由永磁体构成，不含有绕组，结构简单；转子中没有电阻损耗，涡流损耗较小，所以提高了功率因数和效率；无需安装集电环和电刷，运行可靠，易于维修。因此在很多领域都有广泛的应用，成为了电气行业研究的热点。

1.1永磁同步电机特点

永磁同步电机的优点：

1.1.1.与传统的电励磁电机相比，PMSM不需要直流励磁电源，电机中无需安装集电环和电刷装置，与传统带有集电环和电刷的同步电机相比，不易出问题；永磁同步电机结构更加简单，运行更加可靠；电机质量轻，效率比较高；电机外观形状可以改变。在航空航天、国防武器、工业和农业机械生产等各领域都有广阔的应用前景。

1.1.2.永磁同步电动机与传统感应电动机相比，转子中电阻损耗为零，功率因数较高，稳态运行更加可靠，定子电阻损耗也相对削减。

1.1.3.永磁同步电机的转子由永磁体构成，非笼型，具有惯性较低，转矩大，容易启动的优点。电源频率决定了同步电机的转速，转速是同步的，没有转差率。

永磁同步电机的缺点：

PMSM的转子采用永磁材料励磁，励磁不能调节。更深一层的研究永磁材料，提高永磁材料的导磁性能，有助于提高PMSM的运行效率。永磁材料在某些条件下会发生退磁，导致导磁性能急速下降，电动机的运行性能降低，进一步恶化，可能会导致电动机彻底损坏。

1.2永磁同步电机的基本工作原理

本文以极对数为2的永磁同步电动机为研究对象。三相交流异步电动机定子结构与PMSM定子结构相似，定子通电产生旋转磁场。转子中磁极跟随旋转磁场转动，最终达到同步转速。

2.永磁同步电机的数学模型分析

永磁同步电机转子不需要电励磁，没有转差率，也没有电刷和集电环，运行更加可靠。PMSM的定子绕组与传统绕线式异步电动机的定子绕组相似。

2.1坐标变换

由于交流电机定子中通入的是三相交流电，这种动态模型比较复杂，构成的非线性方程组比较难求解，但可通过坐标变换的方法进行简化处理。

2.1.1坐标变换的基本原理和思路

在交流电机定子中，含有三相绕组A、B、C，当三相都通以平衡的正弦电流时，就会产生旋转磁动势F，它在空间上呈正弦分布，以同步转速ωs（即电流的角频率）延着A-B-C的相序旋转。电机等效物理模型如图2.1所示。

旋转磁动势可以由四相、三相、二相等对称的多相绕组合成，其中两相的结构是几种中最为简单的。当每相都通以平衡的电流，旋转磁动势便产生了。

图2.3旋转的直流绕组

图2.2中有描绘了两相静止绕组，a轴和b轴相交，在空间上有90°相角差。给a轴和b轴上绕组通以时间上差90°的交流电流，旋转磁动势F就产生了。

当图2.1和图2.2中的旋转磁动势大小和转速都相等时，则图2.2的两相绕组与图2.1的三相绕组是互相等效的。

图2.3中，要想产生旋转磁动势F，对在d轴和q轴具有相同匝数的两个绕组d和q，给两个绕组通直流电流。d和q绕组的是固定的，若让铁芯、绕组以同步转速逆时针转动起来，则磁动势F也会和绕组铁芯一样转动起来，旋转磁动势就这样产生了。

当a-b坐标系下产生的旋转磁动势和d-q坐标系下产生的旋转磁动势大小一样，转速一样时，那么就可以用d-q坐标系下的直流绕组来等效a-b坐标系下的交流绕组。

把产生同样的旋转磁动势做为原则，图2.3中整体旋转的直流绕组、图2.2的两相交流绕组和图2.1的三相交流绕组是相互等效的。

2.1.2三相-两相变换

图2.1和图2.2绘出了A-B-C和a-b两种坐标系，设定A轴和a轴重合。若两相绕组每相有效匝数为N2，三相绕组每相含有效匝数为N3，每相有效匝数乘以电流即是每相的磁动势。旋转磁动势的大小是不断变化着的，图2.4中磁动势矢量的长度也是不固定的。

假设磁动势是正弦波形，如果此时三相和二相旋转磁动势相等，那么两中绕组在a-b轴上的投影磁动势也是相同的。

写成矩阵形式，得：

.

图4.5定子磁链轨迹图2

由以上仿真结果不难得出，基于直接转矩控制的永磁同步电机转矩响应很迅速。系统中不含有电流环，结构比较简单。其动态响应比较快，但是由于直接转矩控制根据查表法得到矢量电压，所以可以施加的电压矢量不多，一般只有六个，因此转矩脉动比较大。

总结

永磁同步电动机是一种很有前途交流电机，并且比较节能，应用越来越广泛。

在永磁同步电机几种常见的控制方法中，直接转矩控制是一种控制结构简单，把转矩作为直接控制对象，转矩响应迅速、动态性能好等优点被越来越多人应用。

本设计主要做了以下工作：

（1）阐述了PMSM的结构及控制方法，对DTC进行了必要的介绍。

（2）通过空间矢量和坐标变换对电机进行直接转矩控制，并分模块讲述了控制系统的运行过程。

（3）对直接转矩控制中电压矢量开关表的选定进行了详细的分析了解，利用一个二维向量表和三个一维向量表得出了电压矢量开关选择信号。

（4）在Matlab/Simulink环境下，搭建出了PMSMDTC系统的仿真模型，该模型以转速和转矩为输入，得到了转矩的动态响应曲线，从而可以分析电机转速是否稳定。

参考文献

[1]肖卫文.永磁同步电机直接转矩控制系统的研究，[湖南大学硕士学位论文]，21-25，2009.

[2]孙丹.高性能永磁同步电动机直接转矩控制:[浙江大学博士学位论文]，131-133，2004.

[3]TEXASINSTRUMENTS.ImplementationofVectorControlforPMSMUsingtheTMS320F240DSP[R].TEXASINSTRUMENTSApplicationReport,1998.

[4]李路菁，周波，王莉.永磁同步电动机启动问题的分析与解决，微特电机，第1期，7-9，2007.

[5]魏祥林.永磁同步电机直接转矩控制策略的研究:[兰州理工大学硕士学位论文]，4-5，2008.

[6]王福庆，邓志良.永磁同步电机直接转矩控制在Simulink下的建模仿真，现代制造工程，10期，56-57，2008.