1、第25卷第3期 遼寧工程技術大學學報 2006年6月V ol.25 No.3 Journal of Liaoning Technical University Jun. 2006收稿日期:2006-04-12作者簡介:馬盟盟(1982-,女,遼寧 丹東人,碩士研究生,主要從事電機與電器方面的向研究。本文編校:楊瑞華文章編號:1008-0562(200603-0187-04永磁同步電機直接轉矩控制系統馬盟盟1,呂 振2(遼寧工程技術大學 電氣工程系,遼寧 阜新 123000摘 要:針對永磁同步電機直接轉矩控制系統,首先闡述了直接轉矩控制原理,它是在維持定子磁鏈幅值恒定的前提下,通過電壓空間矢量來

2、調節定子磁鏈的旋轉速度,從而控制轉矩和轉速。其次,在此理論基礎上,簡單地建立了系統的模型,說明了它的工作過程以及與異步電機直接轉矩控制系統的不同。最后用SIMULINK 仿真軟件對其進行了建模和仿真,仿真結果表明了直接轉矩控制應用于永磁同步電機的正確性和可行性,永磁同步電機直接轉矩控制系統具有良好的穩態跟蹤性能和優異的動態響應。關鍵詞:直接轉矩控制;永磁同步電機;電壓空間矢量;仿真中圖分類號:TM 301 文獻標識碼:APermanent magnet synchronous motor direct torque control systemMA Meng-meng ,LV Zhen(Dep

3、artment of Electrical Engineering, Liaoning Technology University, Fuxin 123000,China Abstract :In view of permanent magnet synchronous motor direct torque control system , elaborates direct torque control theory , it is under the maintenance of stator flux linkage peak-to-peak value premise , adjus

4、ts the rotational speed of stator flux linkage by voltage space vector , thus controling torque and rotational speed .On this theory , the article establishes the system model simply , explains its work process and the difference from asynchronous motor direct torque control system . Finally uses SI

5、MULINK simulation software is used to carry on the model and simulation , the simulation results manifest the accuracy and feasibility of direct torque control which is applied in permanent magnet synchronous motor. Permanent magnet synchronous motor direct torque control system has good stable and

6、track performance and the outstanding dynamic response .Key words :direct torque control ;permanent magnetic synchronous motor ;voltage space vector ;simulation0 引言1與世界交流調速迅速發展的勢頭相比,在理論研究和產業形成方面,中國大約落后1520年。直接轉矩控制技術在異步電動機的控制中獲得了成功的應用,在永磁同步電機中的應用近年來才有報道。作為一種優秀的控制策略,直接轉矩控制技術在永磁同步電機中的應用對我國交流調速的發展具有實際意義

7、。1 直接轉矩控制系統1.1 直接轉矩控制原理2-4定子磁鏈空間矢量(t s 的運動軌跡平行于相應的電壓空間矢量(t u s 的作用方向,根據式t R t i t u t s s s s d (=,只要定子電阻壓降足夠小,那么這種平行就能得到很好的近似;在適當的時刻依如下次序給出定子電壓空間矢量:011(1s u 001(2s u 101(3s u 100(4s u 110(5s u 010(6s u ,則得到定子磁鏈的運動軌跡。為正六邊形,正六邊形的六條邊代表磁鏈空間矢量(t s 一個周期的運動軌跡,這就是空間電壓矢量對磁鏈的控制。對公式qd d q s q f s pe L L L L L

8、 n T 42sin (sin 23=進行求導得2cos (2cos 243d d q d s q f qd sp L L L L L n t T += 由此可知,保持定子磁鏈為恒定值,電機的電磁轉矩隨著定、轉子磁鏈夾角的變化而變化,因此,盡可能快的改變這個夾角可以得到快速的轉矩響應,這就是空間電壓矢量對轉矩的控制。 1.2 系統框圖5-7系統框圖如圖1,其工作過程如下:被測信號有遼寧工程技術大學學報 第25卷 188定子電流s i 和轉速r 。由s i 、逆變器直流側電壓U 、開關電壓矢量表所返回的開關狀態信號通過23變換與逆變器模型法得到在定子靜止兩相坐標系下的電流i i 、與電壓u u

9、、,再經過磁鏈計算單元、轉矩計算單元得到磁鏈計算值s (包括幅值和幅角,轉矩計算值e T ,將磁鏈計算值的幅值和轉矩計算值與給定的磁鏈幅值s 和轉矩值e T 進行比較,從而得到磁鏈控制信號和轉矩控制信號,其中給定的轉矩值e T 由給定速r 度與實際速度r 經PI 調節器得到。它們與磁鏈計算值的幅角共同作用于開關電壓選擇表,從而得到開關電壓選擇信號。永磁同步電機在由開關電壓選擇信號控制的逆變器的作用下進行工作,實現了直接轉矩控制。圖1 系統框圖 Fig.1 system diagram1.3 與異步電機直接轉矩控制系統的不同1和異步電機相比,應該注意的是零矢量在永磁同步電機直接轉矩控制中的作用。

10、在異步電機中,轉矩的變化和轉差(角度的微分有關,在施加零矢量時,盡管轉矩角變化不大,但它的微分卻變化很大,定子磁鏈因零矢量在空間停止不動,但轉子仍然按原轉速慣性運動,異步電機的轉差從一個較小的正值,突變成較大的負值,產生巨大的制動轉矩,而使電磁轉矩快速下降。同步電機中無轉差的概念,轉矩只和轉矩角有關,不存在微分的關系,只要轉矩角變化不大,轉矩就變化不大。所以,在施加零矢量時,的改變可近似認為是零,即轉矩基本保持恒定。這與在異步電機中零矢量使電磁轉矩急劇下降有很大不同。2 系統仿真5,8,92.1 仿真框圖10,4圖2 仿真框圖Fig.2 simulation diagram2.2 仿真結果(1

11、 不同給定轉速的響應。1600.50.40.30.60.20.1-2002040608010012014010.90.80.7圖3 130 rad/s 狀態下轉速響應Fig.3 rotational speed response under 130rad/s condition時間 t / s轉速 / (r a d s -1增 刊 馬盟盟等:永磁同步電機直接轉矩控制系統的研究189 00.262481014120.10.30.40.50.60.70.80.91 圖4 130 rad/s 狀態下轉矩響應Fig.4 torque response under 130 rad/s condition

12、 800.21401001201601802202000.10.30.40.50.60.70.80.91240260 圖5 240 rad/s 狀態下轉速響應Fig.5 rotational speed response under 240 rad/s condition 30.2645781090.10.30.40.50.60.70.80.9111圖6 240 rad/s 狀態下轉矩響應Fig.6 response under 240 rad/s condition torque00.2150501002002503000.10.30.40.50.60.70.80.91圖7 310 rad/

13、s 狀態下轉速響應Fig.7 rotational speed response under 310rad/s condition00.2624810120.10.30.40.50.60.70.80.9114圖8 310rad/s 狀態下轉矩響應Fig.8 torque response under 310 rad/s condition三種不同速度下觀測轉速和轉矩的響應波形,得到如下結論:最大超調分別為15.38 %、3.22 %和3.13 %,隨著給定轉速增加超調越來越小,但是當小到一定程度(3%左右開始基本保持不變;調節時間分別為0.045 s 、0.05 s 和0.055 s 。隨著給

14、定轉速的增加,調節時間越來越長,但時間的增加幅度不大;同時可以看到隨著給定轉速的增大,轉矩響應中脈動越來越明顯,這必然會導致開關的頻繁切換,應盡量避免。綜上所述,可知:給定轉速在第二種情況時,轉速和轉矩響應達到優化,既能有效的抑制超調量,盡可能地縮短響應時間,又能最大限度地減小轉矩脈動,系統處于比較理想的狀態。(2 負載為階躍信號時系統的響應時間 t / s時間t / s時間t / s時間 t / s時間 t / s轉速 / (r a d s -1轉矩T /(N m 轉矩T /(N m 轉矩T /(N m 轉速 / (r a d s -1遼寧工程技術大學學報 第25卷 190800.41401

15、001201601802000.20.60.811.21.41.61.82220240260圖9 階躍負載信號下的轉速波形Fig.9 rotational speed profile under step leap load signal30.46457890.20.60.811.21.41.61.821011圖10 階躍負載信號下的轉矩波形 Fig.10 torque profile under step leap load signal-0.6-1-0.8-0.4-0.20.20.40.60.81-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81圖11 圓形磁鏈 Fig.11

16、 circular flux linkage通過以上的仿真曲線,可以看到轉速響應在啟動時響應時間短,超調量小,在負載信號階躍時略有轉速降,反應快。轉矩信號除了在啟動時和負載信號階躍時有較大波動外,其余時間能較好地跟蹤負載變化。磁鏈基本呈現圓形,從磁鏈可以看出六邊形控制,比較理想。 3 結 論(1證明了永磁同步電機直接轉矩控制思想的正確性和可行性,永磁同步電機直接轉矩控制系統具有良好的穩態跟蹤性能和優異的動態響應。(2通過對不同給定轉速時系統響應的比較,可以看出隨著給定轉速的增大,系統速度響應性能越來越突出。(3發現了永磁同步電機直接轉矩控制系統的一些問題:首先是啟動轉矩具有較大的躍動,很有可能

17、超過電機所能承受的轉矩極限;其次是普遍存在的轉矩脈動,在給定轉速大時更加明顯。這些都是要改進和完善的地方,也是今后的工作方向。 參考文獻:1 徐祖華,黃智偉,盛義發,等.永磁同步電機直接轉矩控制理論基礎與仿真研究J.微特電機,2003 (5:128-130.2 徐艷平,曾 光,孫向東,等.永磁同步電機的直接轉矩控制的研究J.電力電子技術,2003 (6: 32-36.3 李三東,薛 花,紀志成,等.基于MATLAB 永磁同步電機控制系統的仿真建模J.江南大學學報,2004, 21(2: 44-45.4 胡奇峰,賀益康,唐益民,等.基于DSP 永磁同步電機直接轉矩控制系統研究J.電力電子技術,2

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