永磁同步电机直接转矩控制系统低速性能研究

：　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｌｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ　工业技术　永磁同步电机直接转矩控　系统低速性能研究　宋晓燕　王彦辉　张晓鹏　（１平顶山学院　河南平顶山４６７００２；２．神马集团　河南平顶山４６７０００）　摘要：影响直接转矩控制系统发展的主要原因之一是其低速性能差。本文针对永磁同步电机自身结构的特点，分析了永磁同步电机直　接转矩控制系统在低速时产生转矩和转速脉动的原因，并给出了硬件方案的原理图和主程序流程图。　关键词：永磁同步电机　直接转矩控制　低速性能　中图分类号：ＴＭ３　５１　文献标识码：Ａ　文章编号：１　６７４－－０９８ｘ（２ｏｏ８）ｏ６（ｂ）一０１１　８－０１　直接转矩控制技术简称ＤＴＣ，是继矢量变　频调速技术之后出现的又～新型的高效变频　调速技术。其基本思想是以空间矢量为理论　基础，采用电机定子磁链定向的方法，通过检　测定子电压和电流，利用空间矢量理论去佶计　磁链和转矩，并结合ｂａｎｇ－ｂａｎｇ控制器即器直　接控制逆变器的开关状态，在保持磁链幅值基　本不变的条件下，通过调整定子磁链在空间的　旋转速度来达到控制电机转矩的目的。　直接转矩控制虽具有控制思想新颖、控　制结构简单、转矩响应迅速、对电机参数鲁　棒性强的优点，但其低速陛能差、转矩脉动大　直是其主要不足。　一＝１］　因素分　析　直接转矩控制的低速范围是指３０　额定　转速以下的转速范围。低速特性是伺服控制　系统的一项非常重要的技术指标，直接转矩系　统之所以没有矢量控制系统那么宽的调速范　围，一个很重要的原因就是直接转矩控制系统　在低速时存在着很大转矩脉动，致使其在低速　时性能变差。造成直接转矩在低速时转矩脉　动的原因有很多，主要原因有以下几种：　１．１齿槽转矩的影响　永磁同步电机的齿槽效应会产生齿槽转　矩，即永磁体产生的磁场同定子齿槽相互作用　产生的转矩ｒ厂　，在忽略铁心饱和及端部效应　的条件下，其表达式为：　Ｔ　＂ｒｒ４ｚＬ　；￣ｅ　２　砉　ｓｉｎ（　）（１）　由（４）式可以看出：在高速条件下，ｕ比Ｒ　ｆ　的值大很多，Ｒ　的变化对定子磁链的影响很　Ｅ　，　为力次频率下的反电动势和电流　小，故此时不考虑定子电阻Ｒ　变化的影响。但　幅值，（２２为正整数）；　当系统运行在低速时，定子电阻Ｒ　的影响加　大，磁链的观测值将会出现很大误差，严重影　Ｑ　为机械角速度。　响着整个系统的控制性能。　由（２）式可知，纹波转矩是由反电动势　和定子电流的谐波所引起的，电磁转矩中　２　只含有基波６倍频的纹波转矩。无论何原　在交流调速领域，尤其在对电机控制时，　因所　ｉ起的定子电压和电流发生畸变，使　由于系统运算量大，电机的电气时间常数小等　得波形中的谐波分量增加，都会使纹波转　特点，使得一般的微处理器很难胜任。通常在　矩加大。　对于６ｎ次谐波转矩脉动，其对应　交流调速领域里选ＤＳＰ作为其控制器处理器。　的转速为：　图１所示为一典型的直接转矩硬件实现　原理图ｌ　Ｉ。该电路主要有两大部分组成：主电　路部分与控制电路部分。主电路部分包括整　＝　ＣＯＳ　）　流环节、限流启动环节、滤波环节以及逆变　器环节；控制电路部分包括电源模块、故障检　上式表明在大惯性、高次谐波频率及　测保护电路、直流电压检测模块、隔离驱动　电机在高速运行时，转速的脉动将会很小，　电路、ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２控制器、电压电流检测模　即大的转动惯性起到了滤波器的效应，纹　块、光码盘。　波转矩可被转子惯性所吸收，但当转速很　图２为直接转矩控制系统主程序流程图。　低时，纹波转矩影响加大，转速脉动也会相　应变大。　３结语　１．３死区效应的影响　本文详细分析了直接转矩控制下永磁同　由于功率器件贮能效应的存在，为防　步电动机在低速运行时转矩脉动产生的原因，　止逆变器发生直通现象，需在逆变器驱动　信号中设置一段死区时间Ｔｄ，以保证同一　并给出了硬件原理图与主程序流程图。随着　桥臂的上下功率管“先关后通”。由于死区　直接转矩控制技术的实用化、全数字化、智　永磁同步电动机直接转　时间Ｔｄ的存在，从而形成了一系列有规律　能化与集成化的发展，矩控制系统在低速运行时的性能将不断得到　的误差电压信号，使得电流畸变，导致转矩　改善，其应用必更加广泛。　脉动现象的加剧。　Ｅ一乓　Ｅｌ　一与　ｆ　，一巨　Ｅｌ　一丘　』　Ｊ写　一￡　一Ｅ　置。一　－７　Ｅ２－２３一丘１Ｉ』　，　一ｌ（　一Ｒ　ｉ￣）ｄｔ　ｉ　一Ｅ７　｝‘　上式中：　是永磁体的磁导率，ｚ为定　死区效应使得逆变器的输出平均电压　子齿槽数，Ｌ　为电枢铁心长度，Ｒ　、Ｒｚ分别　欠量轨迹产生非线性畸变，相当于在给定　参考文献　ｉ】郭庆鼎，王成元．交流伺服系统【Ｍ】．北京　电压空间矢量基础上叠加了一个畸变电压　【机械工业出版社．１９９４：１２３～１２４．　矢量。畸变电压矢量的幅值和基波电压无　关，在低速运行时基波电压较小，死区的影　响就相对较大。死区效应是影响系统低速　时的值，　为傅立叶分解系数，Ｂ　为永磁体沿　性能的一个重要因素，改善系统的性能需　圆周方向的分布剩磁密度，ｏ为定子齿中心线　要对死区效应进行补偿　。　与转子磁极中心线之间的夹角。　１　４磁链模型的影响　由（１）式可知，齿槽转矩是周期性脉动的，　在直接转矩控制系统中，直接测量定　其基波周期为Ｚ，并且齿槽转矩是电机固有特　子磁链十分困难，因而往往采用间接测量　性，与转矩和转速大小无关。　方法得到。由于永磁同步电机中没有转差　１．２纹波转矩的影响　的概念。故最常用的磁链观测模型就是基　在磁路不饱和、忽略电枢反应的影响　于定子电压、定子电流的法，即　及定子绕组Ｙ型连接无中线且三相对称的　为电渺　与定子轭桅＇Ⅳ为荔取整数　前提下，得到总的电磁转矩为…：　１　ｒ　…ｔ）Ｙａ　、　、　Ｈ　毒　川　（２）　上式中　图Ｔ　直接转矩的硬件实现原理图　图２　直接转矩控制系统主程序流程图　１　１　８　科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ