永磁同步電機直接轉矩控制的仿真研究

韓錫敏

（青島天一集團紅旗電機有限公司,山東 青島 266400）

永磁同步電機直接轉矩控制的仿真研究

韓錫敏

（青島天一集團紅旗電機有限公司,山東 青島 266400）

永磁同步電機是近幾年應用越來越廣泛的一種電機，同普通的同步電機相比，永磁同步電機結構更為簡單，它由于功率因數高，因而效率高，提高了電機運行的可靠性，省去了容易出問題的集電環和電刷，又無需勵磁電流，因此，降低了加工和裝配費用，既節約了能源又保護了環境，極大程度的滿足了生產的需求，是一種最具前途的節能電機。

永磁同步電機；直接轉矩控制；仿真

1 引言

雖然，我國研究永磁同步電機直接轉矩控制，這項技術的起步時間晚，和其它先進國家存在一定的差距，但是永磁體制作所需的稀土資源我國含量很豐富，特別是稀土永磁材料釹鐵硼資源在我國非常豐富，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的4倍左右， 這給永磁同步電機的制造和發展提供了一個良好的環境，因此，在永磁同步電動機領域我國還是具有一定優勢的，本文在介紹電機的發展基礎上，分析了直接轉矩控制的現狀以及仿真結果顯示，直接轉矩控制的方式是永磁同步電機中性能最高的一種控制方式。

2 電機的發展

電機的發展歷程中，依照供電方式的不同，可以分為直流電機和交流電機。

（1）直流電機。在20世紀末期晶閘管技術還不太成熟，無法實現高精度的交流電機調速時，由于直流電機不需要其它設備的配合，只要改變輸入或勵磁電壓電流就可以實現平穩的調速，所以，當時應用最廣泛的還是直流電機。但是直流電機調速控制最大的難度在于實現電機調速的平穩控制也就是控制轉矩。

（2）交流電機。隨著大功率晶閘管和計算機控制理論的的相繼問世，交流電機調速逐漸成為人們研究的對象。

因為原理的區別，交流電機有同步電機和異步電機兩種。

一種是同步電機。同步電機可以分為永磁同步和電勵磁同步電機。由于旋轉速度與其電源的頻率呈現相對應關系，運行時保持恒定轉速，所以，在一些低速高功率的設備里常常會用到同步電機，它能夠在不受負載的影響下，通過人為調節勵磁來改變功率因數，甚至可以讓功率因數超前，同步電機的這一原理，可以吸收或補償電網中的無功功率，保持電網功率因數相對平衡、穩定。一種是異步電機。憑借轉子與定子的運行速度不同，異步電機從空載直接到滿載電機也幾乎不受轉速的影響。

3 永磁同步電機直接轉矩控制的現狀

1970以后，我國的永磁體被大量開發和利用，相應的永磁材料也得到了發展，對永磁同步電機的發展起了很大的推進作用。通過深入的研究發現，永磁電機在節約能源，降低成本，有很快的轉矩、轉速響應，干擾能力強，負載載影響小，做法簡單，能通過對變頻器的調節控制電源頻率，進而控制電機轉速，使對應的功率因數得到提高。目前我國現使用的電機多為高能耗的能效3級，如4極11Kw3級能效僅為效率僅為89.8%，而永磁同步電機效率達到93.6%、且功率因數高。定子繞組呈阻性負載，其功率因數接近，利用這些特征，永磁同步電機直接轉矩控制技術運用在調速系統和新能源技術中，如電動汽車、電氣列車、地鐵、輕軌等交通工具的驅動系統和工業伺服系統中所占比例越來越大。由此可見，我國永磁同步電機直接轉矩控制技術的使用已經日益成熟。

4 永磁同步電機直接轉矩的控制性能

（1）永磁同步電機矢量控制 。上世紀七十年代的德國通過將交流電機等效成直流電機，再經相應的反變換控制實現對交流電機的控制。依照后者的方法，對定子電流進行分解，最終實現了轉子磁鏈和電磁轉矩的解耦控制。這就是當時最具代表性的矢量控制理論。該控制系統可實現零速全負載，擁有相當高的精度和快速的轉矩響應。永磁同步電機矢量控制系統實現了高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制，因此永磁同步電機矢量控制系統引起了國內外學者的廣泛關注。然而，在實際的操作上對轉子磁鏈進行直接控制非常困難，電機的基本參數對它造成很大的影響，所以，實現矢量旋轉變換控制十分的復雜，想要真正大規模的推廣還有很大的困難。

（2）永磁同步電機直接轉矩控制。進入20世紀90年代，計算機技術在電機和電力電子技術中加以運用，使得電動機控制方法更加多樣和完善，出現了永磁同步電機直接轉矩控制方法。主要通過磁鏈、轉矩觀測值與參考值相比對，經過兩個滯環比較器以后，利用產生的磁鏈、轉矩控制信號，再結合定子磁鏈的位置，選取逆變器控制信號，實現對電壓空間矢量輸出的控制。確定了定子磁鏈的走向，達到對永磁同步電機直接轉矩控制的目的。永磁同步電機直接轉矩控制中利用定子磁鏈的定向替代了轉子磁鏈的定向，避免了電機中不易確定的參數對控制方式的干擾，同時省去了矢量控制中復雜的坐標變換，在各類調速系統、風力發電系統等重要產品中發揮了重要的作用。

5 永磁同步電機直接轉矩控制的仿真測試

永磁同步電機直接轉矩控制實際應用過程中，容易出現電機在運行中，隨著溫度、電流頻率、定子電阻的阻值等一系列數值發生變化，、會造成定子磁鏈的精度出現偏差。針對傳統直接轉矩控制存在的轉矩和磁鏈脈動較大的問題，利用仿真平臺建立了仿真模型，驗證了永磁同步電機直接轉矩控制具有良好的控制效果。介紹了基于空間矢量調制的直接轉矩控制，分析了參考空間電壓矢量的生成及PWM波調制的方法。根據實際轉矩和給定轉矩的偏差，提出了一種使用PIC控制器補償定子電阻變化的方法。仿真結果表明此方法能夠有效地減少轉矩和磁鏈脈動，具有速度響應快、抗干擾能力強，采取這種方法減小了磁鏈和轉矩脈動，提高了系統對電機參數變化的魯棒性，徹底改善了控制系統的性能。

6 結語

近年來，我國的交流電機調速技術日益成熟起來，在伺服電機領域里，永磁同步電機定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子參數可測、控制性能好，隨其技術的快速發展和日漸成熟，它獨有的定子磁鏈定向，電機的磁鏈和直接轉矩操作控制系統，必將使伺服系統發展前途一片大好。目前，隨著科學技術迅猛發展，人們節電，環保意識的日益增強，永磁同步電機直接轉矩控制技術得以迅速的推廣，在我國的工業、國防軍事等控制系統中越來越顯得舉足輕重。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.147