浅析永磁同步电机直接转矩控制的仿真研究

浅析永磁同步电机直接转矩控制的仿真研究

张轶群

江西泰豪动漫职业学院 330200

摘要：我国在研究永磁同步电机直接转矩控制，这项技术的起步时间晚，和其它先进国家存在一定的差距，但是永磁体制作所需的稀土资源我国含量很丰富，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，这给永磁同步电机的制造和发展提供了一个良好的环境，因此，在永磁同步电动机领域我国还是具有一定优势的，本文在介绍电机的发展基础上，分析了直接转矩控制的现状以及仿真结果显示，直接转矩控制的方式是永磁同步电机中性能最高的一种控制方式。

关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；仿真

永磁同步电机是近几年应用越来越广泛的一种电机，同普通的同步电机相比，永磁同步电机结构更为简单，它由于功率因数高，因而效率高，提高了电机运行的可靠性，省去了容易出问题的集电环和电刷，又无需励磁电流，因此，降低了加工和装配费用，既节约了能源又保护了环境，极大程度的满足了生产的需求，是一种最具前途的节能电机。

1.电机的发展

电机的发展历程中，依照供电方式的不同，可以分为直流电机和交流电机。

（1）直流电机。在20世纪末期晶闸管技术还不太成熟，无法实现高精度的交流电机调速时，由于直流电机不需要其它设备的配合，只要改变输入或励磁电压电流就可以实现平稳的调速，所以，当时应用最广泛的还是直流电机。但是直流电机调速控制最大的难度在于实现电机调速的平稳控制也就是控制转矩。

（2）交流电机。随着大功率晶闸管和计算机控制理论的的相继问世，交流电机调速逐渐成为人们研究的对象。

因为原理的区别，交流电机有同步电机和异步电机两种。

一种是同步电机。同步电机可以分为永磁同步和电励磁同步电机。由于旋转速度与其电源的频率呈现相对应关系，运行时保持恒定转速，所以，在一些低速高功率的设备里常常会用到同步电机，它能够在不受负载的影响下，通过人为调节励磁来改变功率因数，甚至可以让功率因数超前，同步电机的这一原理，可以吸收或补偿电网中的无功功率，保持电网功率因数相对平衡、稳定。一种是异步电机。凭借转子与定子的运行速度不同，异步电机从空载直接到满载电机也几乎不受转速的影响。

2.永磁同步电机直接转矩控制的现状

1970以后，我国的永磁体被大量开发和利用，相应的永磁材料也得到了发展，对永磁同步电机的发展起了很大的推进作用。通过深入的研究发现，永磁电机在节约能源，降低成本，有很快的转矩、转速响应，干扰能力强，负载载影响小，做法简单，能通过对变频器的调节控制电源频率，进而控制电机转速，使对应的功率因数得到提高。目前我国现使用的电机多为高能耗的能效3级，如4极11Kw3级能效仅为效率仅为89.8%，而永磁同步电机效率达到93.6%、且功率因数高。定子绕组呈阻性负载，其功率因数接近，利用这些特征，永磁同步电机直接转矩控制技术运用在调速系统和新能源技术中，如电动汽车、电气列车、地铁、轻轨等交通工具的驱动系统和工业伺服系统中所占比例越来越大。由此可见，我国永磁同步电机直接转矩控制技术的使用已经日益成熟。

3.永磁同步电机直接转矩的控制性能

（1）永磁同步电机矢量控制。上世纪七十年代的德国通过将交流电机等效成直流电机，再经相应的反变换控制实现对交流电机的控制。依照后者的方法，对定子电流进行分解，最终实现了转子磁链和电磁转矩的解耦控制。这就是当时最具代表性的矢量控制理论。该控制系统可实现零速全负载，拥有相当高的精度和快速的转矩响应。永磁同步电机矢量控制系统实现了高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。然而，在实际的操作上对转子磁链进行直接控制非常困难，电机的基本参数对它造成很大的影响，所以，实现矢量旋转变换控制十分的复杂，想要真正大规模的推广还有很大的困难。

（2）永磁同步电机直接转矩控制。进入20世纪90年代，计算机技术在电机和电力电子技术中加以运用，使得电动机控制方法更加多样和完善，出现了永磁同步电机直接转矩控制方法。主要通过磁链、转矩观测值与参考值相比对，经过两个滞环比较器以后，利用产生的磁链、转矩控制信号，再结合定子磁链的位置，选取逆变器控制信号，实现对电压空间矢量输出的控制。确定了定子磁链的走向，达到对永磁同步电机直接转矩控制的目的。永磁同步电机直接转矩控制中利用定子磁链的定向替代了转子磁链的定向，避免了电机中不易确定的参数对控制方式的干扰，同时省去了矢量控制中复杂的坐标变换，在各类调速系统、风力发电系统等重要产品中发挥了重要的作用。

4.永磁同步电机直接转矩控制的仿真测试

永磁同步电机直接转矩控制实际应用过程中，容易出现电机在运行中，随着温度、电流频率、定子电阻的阻值等一系列数值发生变化，、会造成定子磁链的精度出现偏差。针对传统直接转矩控制存在的转矩和磁链脉动较大的问题，利用仿真平台建立了仿真模型，验证了永磁同步电机直接转矩控制具有良好的控制效果。介绍了基于空间矢量调制的直接转矩控制，分析了参考空间电压矢量的生成及PWM波调制的方法。根据实际转矩和给定转矩的偏差，提出了一种使用PIC控制器补偿定子电阻变化的方法。仿真结果表明此方法能够有效地减少转矩和磁链脉动，具有速度响应快、抗干扰能力强，采取这种方法减小了磁链和转矩脉动，提高了系统对电机参数变化的鲁棒性，彻底改善了控制系统的性能。

结语：

近年来，我国的交流电机调速技术日益成熟起来，在伺服电机领域里，永磁同步电机定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好，随其技术的快速发展和日渐成熟，它独有的定子磁链定向，电机的磁链和直接转矩操作控制系统，必将使伺服系统发展前途一片大好。目前，随着科学技术迅猛发展，人们节电，环保意识的日益增强，永磁同步电机直接转矩控制技术得以迅速的推广，在我国的工业、国防军事等控制系统中越来越显得举足轻重。

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