永磁同步电动机直接转矩控制零矢量的应用研究

    雷彦，齐蓉

(西北工业大学，陕西西安710072)

    摘要：进一步研究了永磁同步电动机直接转矩控制理论，分析了零电压矢量在永磁同步电动机中的作用，构造了一种新型的含零电压矢量控制开关表。对非零电压矢量和含零电压矢量两种控制方式进行了比较研究。仿真和实验结果表明：正确的使用零电压矢量能够有效减少转矩脉动和电流波形畸变，从而改善系统控制性能。

    关键词：永磁同步电动机；直接转矩控制；零电压矢量开关表

    中图分类号：TM341  文献标识码：A  文章编号：1004一7018(2008)I}5—0040—03

0引  言

    直接转矩控制(以下简称DTD^[1]于20世纪80年代针对异步电动机提出，该控制方法的主要思想是通过控制定子磁链实现对转矩的直接控制。与传统的矢量控制^[2]相比，不需要进行解耦从而避免了复杂的坐标变换，定子磁链的估算仅涉及定子电阻，减弱了对电机参数的依赖性。此外DTc无需对转子磁场精确定位，仅需知道起始区间即可。因此DTc方法简单，转矩响应快，动态性能好。鉴于直接转矩控制在异步电动机中的优点，许多学者已将其应用于同步电动机中，实现了永磁同步电动机直接转矩控制，并体现了直接转矩控制的简单性和快速动态响应特点。非零电压矢量在异步电动机和同步电动机中应用原理是相同的，但零矢量的应用^[3,4]有较大区别。异步电动机中，转矩增量、磁链增量都与转差有关，而转差与转子的空间位置角的变化率有关。由三相电压逆变器得到8个电压空间矢量，包括其中6个非零电压矢量和2个零电压矢量。非零电压矢量作用时，会得到一个磁链增矢量和较大的转差，零电压矢量作用下只能得到一个较大的转差，但无磁链增矢量产生。因此零矢量和非零矢量均能引起转差变化，从而引起电机转矩的快速变化。这是零电压矢量在异步电动机转矩控制中得以应用的原因。永磁同步电动机中没有转差的概念，不能利用转差来控制电机的转矩，但这并不表示零矢量在永磁同步电动机中不能使用。本文分析了同步电动机转矩增量原理及其零电压矢量在同步电动机中的作用，提出了一种新型零矢量DTc的开关表。研究结果表明永磁同步电动机DTc中采用零电压矢量，可在满足电机动态性能的同时，有效抑制转矩和磁链脉动，若将开关表进行一定改动后能够减少逆变器开关频率，适合高频化应用^[5]。

1永磁同步电动机直接转矩控制理论

    在实际的永磁同步电动机直接转矩控制系统中，为便于计算和分析，需要进行坐标变换。abc坐标系是定子三相静止坐标系，αβ坐标系是定子两相静止坐标系，d_rq_r是转子两相同步旋转坐标系，d_sq_s定子两相同步旋转坐标系。其中δ为定、转子磁链Ψ_s、Ψ_f机之间的夹角，即电机功角，本文也把它叫转矩角。

 

  忽略电机铁心的饱和，不计电机的涡流和磁滞损耗，且电机的相电流波形为对称的三相正弦波。转子旋转d，gT坐标系下永磁同步电动机数学模型：

式中：U_d、U_q为定子直轴、交轴电压；Ψ_d、Ψ_q为定子直、交轴磁链；i_d、i_q为定子直、交轴的电流；Ψ_f为转子磁链；R为定子绕组电阻；ω_r为转子机械角度；T_e为电磁转矩；p为电机磁极对数。经坐标变化可得定子同步旋转d_sq_s坐标下转矩表达式：

   对于隐极式永磁同步电动机L_d=L_q，在定子磁链Ψ_s大小不变条件下，对式(6)微分，转矩增量和功角之间的关系如下：

    因此永磁同步电动机转矩增量仅与功角和功角增量有关，与角度变化率转差无关。通过迅速改变转矩角δ，转矩得到快速响应。

2零电压矢量在直接转矩控制中的作用

  永磁同步电动机转矩角的变化Δδ是定子磁链引起的角度变化Δδs与转子磁链引起的角度变化△δ