永磁同步電機直接轉矩控制仿真

喬 銘

（湖北工業大學，武漢 430070）

交流電機主要有異步電機和同步電機兩大類。同步電機中永磁同步電機的轉子為永磁體，這種同步電機結構緊湊，功率密度高，廣泛應用于各個領域。直接轉矩控制是根據測量到的電機電壓和電流計算電機轉矩的估計值，從而控制電機速度的方法[1]。

直接轉矩控制放棄了使用矢量控制的思想控制電機，不是通過測量定子電流、Park變換、Clark變換、反Park變換、SVPWM調制的算法間接控制電機，而是直接控制電機的轉矩從而控制其速度。該控制方式以定子磁鏈為參考系，算法更為簡單，更容易實現，且比矢量控制擁有更強的抗干擾能力，而且給定的轉矩與實際轉矩經過滯環比較器后，能夠調節電壓矢量控制電機轉速，有著更為迅速的轉矩響應。然而，直接轉矩控制在低速和高速下的響應均弱于矢量控制，而且直接轉矩控制會導致電機的轉矩脈動增大[2]。直接轉矩控制與矢量控制的區別如表1所示。

表1 直接轉矩控制與矢量控制的區別

1 永磁同步電機的數學模型

假設存在一個理想的永磁同步電機，三相靜止坐標下電壓形式如下：

磁鏈方程形式如下：

式中：Us為定子電壓；Is為定子電流；Rs為定子電阻；φs為定子磁鏈；Ls為定子電感；φr為轉子磁鏈。

式中：uα、uβ為α-β系中定子的電壓；iα、iβ為的定子電流；ω為轉子轉速。

2 直接轉矩控制仿真分析

搭建仿真模型時要分模塊搭建，先對每個子模塊分別進行參數調試和仿真效果測試，在子模塊測試完畢后，連接子模塊，形成最終的仿真模型，如圖1所示。使用這種方式搭建模型，便于進行問題定位，從而快速找出仿真運行出現問題的位置[3]。仿真模型主要包含轉矩計算模塊、空間矢量扇區選擇模塊、定子磁鏈計算模塊3個部分，下文主要對這幾部分進行簡要說明。

2.1 定子磁鏈計算模塊

該模塊中，通過采樣d-q軸電流進行磁鏈估算，然后經過Park變換得到定子磁鏈在α-β軸上的分量，其中uα、uβ分別來自兩相靜止坐標系下的分量，這種控制結構比矢量控制更為簡單，省去了Clark變換，實現難度更低。

2.2 轉矩計算模塊

該模塊搭建時沒有使用邏輯單元計算，而是選擇直接在功能模塊中輸入電機轉矩方程，根據永磁同步電機數學模型中的電磁轉矩方程來算出實際轉矩[4]，因此只需要前面計算的磁鏈與可以測量的定子電流以及預設的電機極對數，根據轉矩方程就可以計算出電機轉矩Te。永磁同步電機轉矩方程為：

2.3 空間矢量扇區選擇模塊

該模塊的工作原理為：將轉矩誤差和磁鏈誤差經過滯環比較器后的值視為1個二進制數，通過3個二進制數選擇相應的扇區和逆變器開關信號，并給出合適的矢量，從而驅動電機旋轉[5]。其中驅動電機的3對mos管也視為3位二進制數，根據每對mos管的導通或關斷狀態判斷，存在8種矢量，包括6個非零矢量和2個零矢量[6]。

2.4 仿真結果分析

進行仿真分析時，先設定負載轉矩為15 N·m，當電機運行到0.1 s時，將轉矩從15 N·m增加為20 N·m，電機轉矩如圖2所示。

可以看到當轉矩突變時，輸出的電磁轉矩能夠迅速響應設定值，電機轉速曲線如圖3所示，當電機轉矩發生突變時，轉速依然可以保持穩定。這證明了電機工作在穩定的狀態下，具有良好的魯棒性，雖然因負載改變而使轉速略有波動，但是經過閉環調節能夠迅速恢復穩定。

3 結論

當電機穩定工作時，其定子電流一直運行平穩呈正弦波；當增加負載時，其電流迅速增大，整個過程中電流畸變小，諧波含量低。通過仿真分析可知，直接轉矩控制是一種優良的控制策略，能夠在使用少量外部參數的情況下控制永磁同步電機，使永磁同步電機得到較好的工作性能，并且在外部負載突變時能夠快速進行閉環調節，以保證轉速穩定。