永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制零矢量的應(yīng)用研究
雷彥，齊蓉
(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：進(jìn)一步研究了永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論，分析了零電壓矢量在永磁同步電動機(jī)中的作用，構(gòu)造了一種新型的含零電壓矢量控制開關(guān)表。對非零電壓矢量和含零電壓矢量兩種控制方式進(jìn)行了比較研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：正確的使用零電壓矢量能夠有效減少轉(zhuǎn)矩脈動和電流波形畸變，從而改善系統(tǒng)控制性能。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；零電壓矢量開關(guān)表
中圖分類號：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004一7018(2008)I}5—0040—03
0引 言
直接轉(zhuǎn)矩控制(以下簡稱DTD[1]于20世紀(jì)80年代針對異步電動機(jī)提出，該控制方法的主要思想是通過控制定子磁鏈實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。與傳統(tǒng)的矢量控制[2]相比，不需要進(jìn)行解耦從而避免了復(fù)雜的坐標(biāo)變換，定子磁鏈的估算僅涉及定子電阻，減弱了對電機(jī)參數(shù)的依賴性。此外DTc無需對轉(zhuǎn)子磁場精確定位，僅需知道起始區(qū)間即可。因此DTc方法簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，動態(tài)性能好。鑒于直接轉(zhuǎn)矩控制在異步電動機(jī)中的優(yōu)點(diǎn)，許多學(xué)者已將其應(yīng)用于同步電動機(jī)中，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，并體現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)矩控制的簡單性和快速動態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)。非零電壓矢量在異步電動機(jī)和同步電動機(jī)中應(yīng)用原理是相同的，但零矢量的應(yīng)用[3,4]有較大區(qū)別。異步電動機(jī)中，轉(zhuǎn)矩增量、磁鏈增量都與轉(zhuǎn)差有關(guān)，而轉(zhuǎn)差與轉(zhuǎn)子的空間位置角的變化率有關(guān)。由三相電壓逆變器得到8個(gè)電壓空間矢量，包括其中6個(gè)非零電壓矢量和2個(gè)零電壓矢量。非零電壓矢量作用時(shí)，會得到一個(gè)磁鏈增矢量和較大的轉(zhuǎn)差，零電壓矢量作用下只能得到一個(gè)較大的轉(zhuǎn)差，但無磁鏈增矢量產(chǎn)生。因此零矢量和非零矢量均能引起轉(zhuǎn)差變化，從而引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速變化。這是零電壓矢量在異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩控制中得以應(yīng)用的原因。永磁同步電動機(jī)中沒有轉(zhuǎn)差的概念，不能利用轉(zhuǎn)差來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，但這并不表示零矢量在永磁同步電動機(jī)中不能使用。本文分析了同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩增量原理及其零電壓矢量在同步電動機(jī)中的作用，提出了一種新型零矢量DTc的開關(guān)表。研究結(jié)果表明永磁同步電動機(jī)DTc中采用零電壓矢量，可在滿足電機(jī)動態(tài)性能的同時(shí)，有效抑制轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，若將開關(guān)表進(jìn)行一定改動后能夠減少逆變器開關(guān)頻率，適合高頻化應(yīng)用[5]。
1永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論
在實(shí)際的永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，為便于計(jì)算和分析，需要進(jìn)行坐標(biāo)變換。abc坐標(biāo)系是定子三相靜止坐標(biāo)系，αβ坐標(biāo)系是定子兩相靜止坐標(biāo)系，drqr是轉(zhuǎn)子兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，dsqs定子兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。其中δ為定、轉(zhuǎn)子磁鏈Ψs、Ψf機(jī)之間的夾角，即電機(jī)功角，本文也把它叫轉(zhuǎn)矩角。
忽略電機(jī)鐵心的飽和，不計(jì)電機(jī)的渦流和磁滯損耗，且電機(jī)的相電流波形為對稱的三相正弦波。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)d，gT坐標(biāo)系下永磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型：
式中：Ud、Uq為定子直軸、交軸電壓；Ψd、Ψq為定子直、交軸磁鏈；id、iq為定子直、交軸的電流；Ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈；R為定子繞組電阻；ωr為轉(zhuǎn)子機(jī)械角度；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p為電機(jī)磁極對數(shù)。經(jīng)坐標(biāo)變化可得定子同步旋轉(zhuǎn)dsqs坐標(biāo)下轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：
對于隱極式永磁同步電動機(jī)Ld=Lq，在定子磁鏈Ψs大小不變條件下，對式(6)微分，轉(zhuǎn)矩增量和功角之間的關(guān)系如下：
因此永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩增量僅與功角和功角增量有關(guān)，與角度變化率轉(zhuǎn)差無關(guān)。通過迅速改變轉(zhuǎn)矩角δ，轉(zhuǎn)矩得到快速響應(yīng)。
2零電壓矢量在直接轉(zhuǎn)矩控制中的作用
永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩角的變化Δδ是定子磁鏈引起的角度變化Δδs與轉(zhuǎn)子磁鏈引起的角度變化△δ |
