维普资讯 http://www.cqvip.com 第３０卷第５期 合肥工业大学学报（自然科学版） Ｖｏｌ＿３０ Ｎｏ． ２００７年５月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＦＥＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｍａｙ ２００７ 永磁同步电机直接转矩控制系统的改进 张 昱， 张 兴 （合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥２３０００９） 摘要：文章针对 口坐标系下的永磁同步电机模型，研究了永磁同步电机直接转矩控制方案，同时还分析了 零电压矢量在异步电机和永磁同步电机中的不同作用，构造了一种应用零电压矢量来减小转矩的新型电压 矢量开关表；并通过ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真软件，对永磁同步电机直接转矩控制系统进行建模；仿真结果表 明，正确的使用零电压矢量，可以有效降低转矩脉动，改善系统控制性能。 关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建模 中图分类号：ＴＭ３５１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—５０６０（２００７）０５—０５４６—０４ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ＤＴＣ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ—ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒｓ ＺＨＡＮＧ Ｙｕ， ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎｇ （Ｓｃｈｏ０ｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅａｌｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ （ＰＭＳＭ ＤＴＣ）ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄ－ｑ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ．Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｚｅｒｏ—ｖｏｌｔａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｎ— ｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｓｗｉｔｃｈ．ｓｅｌｅｃｔ ｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｄｅｃｒｅａ— ｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｚｅｒｏ－ｖｏｌｔａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ＰＭＳＭ ＤＴＣ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｚｅｒｏ－ｖｏｌｔａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ ｒａｔｉｏｎａｌｌｙ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍａｒｋｅｄｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ－ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＴＣ）；ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｍｏｄｅｌｉｎｇ 直接转矩控制（ＤＴＣ）技术，是继矢量控制技 ＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真工具ｒ５］，对基于新型开关表 术之后发展起来的一种高性能的交流变频调速技 的ＰＭＳＭ ＤＴＣ系统进行了仿真，分析了控制系 术，最早应用于感应电机控制中ｒ１］。随着永磁同 统的性能。仿真结果证明，ＰＭＳＭ ＤＴＣ系统的 步电机（ＰＭＳＭ）的广泛应用，人们逐渐把研究热 控制特性得到了相应的改善。 点转移到调速范围更广的永磁同步电机上来。但 是，在永磁同步电机直接转矩控制系统中，不能像 １ ＰＭＳＭ直接转矩控制原理 异步电机那样用零电压矢量来降低转矩，而是采 永磁同步电机在ｄ－ｑ坐标系下的转矩为ｒ６］ 用反向电压矢量来起到减小转矩的作用ｒ２］。这种 Ｔ一 Ａ ｒ ｒ Ｌ— Ｌｑｓｑ ｉ… 一 方法存在着很大的弊端，会产生较大的转矩波 上。 ｄ上 ｑ 动［３ ］。本文对零电压矢量在ＰＭＳＭ中的作用做 ｌｌ（Ｌ 一Ｌｄ）ｓｉｎ２８￣ （１） 了详细的分析，设计了一种应用零电压矢量来减 其中， 为定子磁链； 为转子磁链；Ｌｄ、Ｌ 为定 小转矩的新型电压矢量开关表，利用其可以减小 子绕组在ｄ、ｑ轴上的等效电感； 为微分算子；Ｔ 逆变器开关频率和转矩的脉动，并通过ＭＡＴ— 为电磁转矩； 为转矩角。当定子磁链 保持恒定 收稿日期：２００６—０４—２９ 作者简介：张昱（１９８２７－），男，辽宁铁法人，合肥工业大学硕士生； 张兴（１９６３一）， 男，上海市人，博士，合肥工业大学教授，硕士生导师 维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期 张昱，等：永磁同步电机直接转矩控制系统的改进 ５４７ 时，则转矩变化率的表达式为 ｄＴｄ 一 ＬｄＬ。 ［２ Ｌ ｃ。ｓ 一 一 … ２ （Ｌｄ—Ｌｑ）ｃｏｓ２ａ］ａ （２） 由（２）式可知，保持定子磁链恒定，电机转矩 变化率随定、转子磁链夹角 的变化而变化。因 此，尽可能快地调节 可以得到快速的转矩响应。 ＰＭＳＭ ＤＴＣ系统的结构原理如图１所示。 图Ｉ直接转矩控制结构图 ２零电压矢量减少转矩波动 图２为ＰＭＳＭ转矩角变化示意图『７］，其中的 定子磁链 和转子磁链 经过一个采样周期后， 旋转到虚线轴所在的位置。由（１）式可知，ＰＭＳＭ 转矩丁的改变取决于转矩角 ，而 的改变值 又与定子磁链旋转角度的改变值 。和转子磁链 旋转角度的改变值△ ２个因素有关。 图２ ＰＭＳＭ转矩角变化图 由图２可知，△ 一 一 一△ 一△ 。当在 ＰＭＳＭ中施加零电压矢量时，定子磁链停止转 动，即△ 为零。而转子磁链在一个采样周期内转 过的角度△ 与 相比十分小，可近似为零，即 基本保持不变，因此转矩丁也就基本不变，这与异 步电机可以通过零电压矢量来减小转矩有很大区 别。通过对隐极式永磁同步电机的分析，在一个控 制周期内，零电压矢量引起的转矩跌落不会超过 额定转矩的２．２ ［８］，转矩几乎维持恒定。 可见，在ＰＭＳＭ ＤＴＣ系统中，不能像异步电 机那样使用零电压矢量来减小转矩，而是采用反 向电压矢量减小转矩［２］，以实现永磁同步电机直 接转矩控制。但是，当突加反向电压矢量来减小 转矩时，由于转矩下降较快，容易产生较大的转矩 脉动。 根据以上分析，本文提出一种应用零电压矢 量减小转矩脉动的控制方案，如图３所示。设定 子磁链位于扇区１，且磁链调节器输出磁链增大 信号。 ｜ ／ ＼（ ／ ‘’ ／ ‘Ｉ ｆ ／ ＼ ／ ＼． ／ ＼ Ｊ ｔ， ｔ２ —— （ａ）文献［２］的转矩波动图 ｒ＿］ 广］ 广 ， Ｉ～～ｂ， ～ ｌ～～Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ ｆｌ一 ｆ２ ～ ，（ｂ）本文的转矩波动图 图３转矩控制对比图 图３ａ是文献Ｅｚ］采用反向电压矢量减小转矩 时的转矩变化，其中，△丁为滞环宽度；Ｔ为电机 实际转矩值；Ｔｇ为转矩参考值。在零时刻施加运 动电压矢量 （１１０）使转矩丁上升；到ｔ 时刻转 矩丁达到滞环宽度的上限，此时施加反向电压矢 量 （１０１）使定子磁链反方向旋转，则转矩角 迅速减小，转矩丁也跟随着迅速下降，直到ｔ 时刻 转矩下降到滞环宽度下限，以此往复，实现转矩的 跟踪。图３ｂ是采用本文控制方案时转矩的变化 图，其中，△ 为滞环宽度。本文方案与文献Ｅｚ］的 区别在于，当ｔ ，时刻转矩丁达到滞环宽度的上限 时，不再施加反向电压矢量 （１ｏ１），而是采用零 电压矢量 （ＩＩＩ），使转矩丁在每个采样周期内 仅下降微小的幅度，到ｔ 时刻转矩下降到△ 的 下限，以此往复，从而实现转矩的跟踪。 对比图３ａ和图３ｂ可以看出，转矩脉动有了 明显的改善；另外，图３ａ的ｔ ，一ｔ 时问段明显大 于图３ｂ的ｔ 一ｔ 时间段，即零电压起作用的时问 增加，开关频率也随之降低。 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期 胡小建，等：Ｃ０２气保焊弧焊逆变电源外特性控制策略的建模与仿真 ５５７ （上接第５４８页） ［３］Ｒａｈｍａｎ Ｍ Ｆ，Ｚｈｏｎｇ Ｌ Ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔａｂｌｅｓ ｆｏｒ ＤＴＣ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ［Ａ］．ＩＥＣＯＮ’ ４结束语 ９９ ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ［Ｃ］．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９９：１４４５ １４５１． 本文研究了一种性能优越的永磁同步电机直 ［４］ Ｒａｈｍａｎ Ｍ Ｆ，Ｚｈｏｎｇ Ｌ．Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ ｆｌｕｘ ｏｒｉｅｎｔｅｄ 接转矩控制方案，根据零电压矢量在永磁同步电 ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｉ￣ｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ 机中的独特作用，构造了应用零电压矢量来减小 ［Ａ］．Ｐｏｗｅｒ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， 转矩波动的新型开关表。通过ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕ～ Ｔｈｅ Ｔｈｉｒｄ Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ，２０００［Ｃ］．［Ｓ．１－］：［ｓｌ ｎ］．２０００： ｌｉｎｋ，建立了基于新型电压矢量开关表的ＰＭＳＭ ３４２－－３４５． 、 ［５］Ｒａｈｍａｎ Ｍ Ｆ，Ｈａｑｕｅ Ｍ Ｅ，Ｚｈｏｎｇ Ｌ Ａ ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅｃｏｎ— ＤＴＣ仿真模型。仿真结果证明，ＰＭＳＭ ＤＴＣ系 ｒｏｌｌｅｄ ｉｔｎｅｒｉｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ－ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ 统的控制特性得到了相应地改善。 ｗｉｔｈｏｕｔ ａ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ ＥＣ，２００３，１８ （１）：ｌ７—２２． 参考文献 ［６］李庆雷，王先奎．永磁交流同步直线电机位置伺服控制系统 设计［Ｊ］．中国机械工程，２００１，１２（５）：５７７－－５８２． Ｅｌｉ Ｄｅｐｅｎｂｒｏｃｋ＾，Ｌ Ｄｉｒｅｃｔ ｓｅｌｆ－ｃｏｎｔｒｏ１（ＤＳＣ）ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ－ｆｅｄ ｉｎ－ ［７］ 田淳，胡育文．永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控 ｄｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ ＰＥ，１９８８，３（５）： 制方案的研究［Ｊ］．电工技术学报，２００２，１７（１）：７一ｌ１． ［８］叶康丰，杨马英．永磁同步电机直接转矩控制的研究进展 ４２Ｏ一４２９． ［２］Ｒａｈｍａｎ Ｍ Ｆ，Ｈｕ Ｗ Ｙ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ［Ｊ］．电气传动自动化，２００５，２７（３）：ｌ一５． ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ ＰＥ．１９９７，１２（３）５２８—５３６． （责任编辑张镅）
