基于扇区过渡的永磁同步电动机直接转矩控制

林海，严卫生，李铭峰，吴涛

  (西北工业大学，陕西西安710072)

    摘要：分析了直接转矩控制(DTC)基本原理，针对永磁同步电动机直接转矩控制系统中定子磁链经过相邻近扇区边界时系统转矩脉动较大的问题，提出两种在相邻扇区过渡时抑制转矩脉动的方法：平衡扇区过渡法和过扇区过渡法，并对所提出的两种方法进行了仿真研究。仿真实验结果表明两种方法都能有效减小系统中定子磁链处于扇区边界时的转矩脉动。

    关键词：永磁同步电动机；直接转矩控制；扇区过渡；转矩脉动

    中圈分类号：TM341  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)05—0036—04

0引言

    近年来，直接转矩控制(以下简称DTC)策略由于对电机参数依赖性小、控制简单、转矩响应快和动态性能好等优点，日益受到国内外众多学者和专家的关注。DTC的应用对象也由最初的异步交流电机逐渐延伸到其他电机中^[1-2]。在众多不同类型电机中，永磁同步电动机由于结构简单、运行可靠和效率高等优势越来越受到人们的关注，已经有学者将DTC成功应用于永磁同步电动机^[3-5]，在电机控制研究领域中也成为了研究热点之一。

     虽然DTC策略有很多优点，但传统的DTC技术应用于永磁同步电动机中，仍然有一些问题需要解决，而转矩脉动问题是研究的一个重点。常规的DTC采用Bang-Bang离散两值的滞环控制导致转矩脉动剧烈，国内外很多学者都为此作出了很多工作^[1-15]。文献[12]中针对传统的DTC控制策略中的电压矢量选择表提出了补充边界上的电压矢量选择表方案，以期望减小磁链在相邻扇区切换时引起的转矩脉动。本文在分析传统永磁同步电动机直接转矩控制理论的基础上，进一步对该方法进行了深入探讨，发现该方法并不能有效减小磁链在相邻扇区切换时的转矩脉动。由此提出了两种在相邻扇区切换时有效抑制磁链转矩脉动的方法。研究结果表明，所提出的两种方法均能达到预期目的。

1 DTC基本原理

    常规DTC中，可以推算出电磁转矩Te：

式中：P为极对数，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，矩角δ为转子磁链ψ_f，与定子磁链ψ_s夹角。对于隐极式永磁同步电动机，L_d=L_q=L_s，则：

由式(2)知道：对于永磁同步电动机，转子磁链幅值一般为恒值，若定子磁链幅值|ψs|保持额定值，电磁转矩Te正比于sin δ。即通过保持定子磁链幅值恒定，改变定子磁链旋转速度和方向瞬时调整转矩角，可实现转矩的动态控制。

    对定子磁链的控制，由德国学者M．Depenbrok和日本学者I Takahashi提出的定子磁链模型：

式中：is为定子电流，Vs为定子电压，R_s为定子电阻。定义电机定子初始磁链ψ_s0，当忽略定子电阻时，由式(3)，定子磁链ψ_s可表示为：

式中：i=l、2、3、4、5、6。由式(4)可以知道：定子磁链矢量ψs的端点将沿着所施加的空间电压矢量Vs的方向运动；ψs的幅值、运动方向和速度都可以通过选择合适的空间电压矢量Vs调节。

    图1为理想磁链圆扇区划分及对应扇区电压矢

量选择图，可以确定电压矢量选择表，如表l所示。

    表1中，Ψ_H、T_H分别表示磁链和转矩滞环控制器的输出。当磁链和转矩的参考值ψ_s、T_e与磁链和转矩的实际值Ψ_s、T_e的差值大于滞环宽度时误差状态为l，即需要增加磁链或转矩；否则为O，即需要减小磁链或转矩。N为磁链所处扇区的扇区号。

2扇区过渡

    对常规永磁同步电动机直接转矩