雙三相永磁同步電機直接轉矩控制的創新研究

洪敏

摘要：直流電機和三相電機真正意義上地開啟了電氣時代，但越來越多的情形下需要更突出的性能表現，比如多相電機具有的高容錯率、強穩定性和低損耗;永磁同步電機具有的高功率因數、特強節能等等優點。而結合兩者優點的多相永磁同步電機無疑是新電氣時代的寵兒，也已在各個尖端應用領域嶄露頭角，如何更得心應手地控制對提高生產力至關重要。本文以其中重要的機型--“雙三相PMSM”作為研究對象，創新研究出一套直接轉矩控制方案，并結合MATLAB R2013b進行仿真驗證該研究成果的正確性。

關鍵詞：雙三相永磁同步電機;直接轉矩控制（DTC）;MATLAB仿真

1.引言

傳統生產生活中使用最廣泛的除了直流電機外，就是三相交流電機。誠然其歷史地位和技術成熟度不言而喻，但在電動汽車、國防軍艦、航空航天等對容錯能力和運行可靠性要求極高的新興領域，往往更多的相數才能滿足推進系統的需求。圉于汞弧整流器等的性能，過去對多相電機的控制研究備受冷落。直到GTO、Power-MOSFET等出現，解開了物理層面的禁錮，多相電機的應用技術才取得了重要的進展，其中的佼佼者如多相永磁同步電動機（Multiphase Permanent magnet Synchronous Motor，簡記MPMSM）。而國內蘊藏著豐富的稀土礦源可以滿足永磁體的生產，使得這種飽含潛能的機型更值得我們去開發和研究。MPMSM中主要為五相電機和六相電機。其中不對稱的則是對應相互差30度，它又被成為雙三相永磁同步電機。目前該型電機的大多數研究集中于采用矢量控制，或者借助模糊化接口等途徑去實現直接轉矩控制，對基于傳統開關矢量表在諧波控制上的潛力發掘幾乎為零，本文的創新研究成果，對MPMSM控制研究的具有其獨特的意義。

2.多相電機的概述

我們知道多相機的機械原理是對應于傳統的三相機的，所以按照運作方式它也能劃歸出異步機和同步機兩種經典類型。其中，多相異步電機與傳統的三相異步電機一樣，其轉子結構一般都設計為繞線式繞組結構或者鼠籠式繞組結構。而多相同步電機的分類也是跟傳統的三相同步電機類似，都以如何構建轉子磁場進一步分類，即永磁式和感應式兩種。

還有，多相電機還能夠按照不同的繞組接線方式歸類為不對稱繞組型與對稱繞組型兩種。其中，不對稱型大部分都是n組m相對稱結構繞組組成其定子繞組，并且每套繞組相應的相互差 電角度，這樣的話就稱該電機為n×m相電機，就像本文關注的雙三相電機正是用2套三相對稱結構繞組組成的。

3.雙三相永磁同步電機的數學模型

我們討論的雙三相PMSM是反電動勢為正弦波形的，有別于摒棄整流子的直流機。正如前章提到的，它的繞組分布和對稱的六相永磁電機也有著差異。假若我們能置身電機內部，雖然可以看到十二個平分了圓周的繞組，但是這是由于每匝線圈有兩個有效邊。當我們從外面看時是不對稱排布的6個出線端，也就是相當于對應相互差三十度的兩套三相繞組的組合，如下圖1中所示。

當電機通電后，相電流除了產生恒值的漏磁通外，還有與定子上其他相繞組交鏈的主磁通。由于主磁通穿過氣息，當電動機運行時，凸極效應會引起主磁通路徑的磁阻變化，進而使相對應的電感系數也產生變化。相應地代入計算，我們將先得到自然坐標系下的數學模型，根據諧波矢量的形式，我們將其轉化為靜止坐標系（ ）下的數學模型，而根據能有相同的旋轉磁動勢（轉速w1）為原則，參考傳統三相電機，我們將最終得到dq旋轉坐標系下的雙三相PMSM的數學模型。

4.雙三相PMSM的DTC創新研究

雙三相電機雖然定子上的繞組擺放異于六相，但是同樣是采用6個橋臂組成的逆變驅動系統。我們用每相橋臂代表二進制的一位，則該驅動器的控制命令是一個6位的二進制數，其中“1”表示該相的上橋臂導通，用“0”表示其下橋臂導通。類比于6拍逆變器，那么這個逆變器輸出的64個電壓矢量中有4個零矢量，即有60個有效電壓矢量，筆者姑且稱它為60拍逆變器。如圖2所示。

依次開關每個上橋臂，即把6位的二進制控制命令SaSbScSdSeSf從000000取到111111，則可以得到60拍逆變器在 平面和z1z2平面中輸出的電壓空間矢量。根據運算結果可以得到兩個平面的空間電壓矢量圖，根據這兩個矢量圖中，同向電壓的諧波分量相互抵消法則，并對控制周期T加以細分，以求得在開關周期內的積分和為零，我們可以得到一個近乎完美的最優開關表，從而完成這個創新DTC方案。

5.DTC創新方案的仿真驗證

現使用Simulink對該雙三相PMSM的DTC策略進行仿真，直流母線電壓350V，定子磁鏈給定為0.33Wb，給定負載轉矩為10N·m時，在轉速設定在300r/min時，其穩態仿真波形如圖3所示。

由而可見，相電流呈標準的正弦分布，而且實際轉矩能夠跟隨給定轉矩，且波動較小又穩定可控，成功驗證了該DTC策略的正確性。

6.結束語

這次對雙三相PMSM的創新DTC研究雖然有了可喜的成效，但是一些驗證和可能性探索還有提升空間，這一機型在未來將有更大作為，是一個值得深入的研究領域。

參考文獻

[1]李山.多相感應電機控制技術的研究[D].重慶大學，2009.

[2]王晉.多相永磁電機的理論分析及其控制研究[D].華中科技大學，2010.

[3]楊向宇.無刷雙饋電機的設計分析及其調速系統的仿真研究[D].西安交通大學，2001.