永磁无刷直流电机的直接转矩控制系统

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1、永磁无刷直流电机的直接转矩控制系统本章首先对比分析永磁同步电机直接转矩控制策略，介绍了永磁无刷直流电机直接转矩控制的思想、数学模型和控制系统结构。分析比较两种电机不同的控制策略，将直接转矩控制方法应用于永磁无刷直流电机的控制，以期达到抑制转矩脉动的目的。1直接转矩控制的基本思想1985年，德国鲁尔大学教授Depenbrock首次提出了直接转矩控制（DirectTorqueControl，简称DTC）的理论，到1987年又推广到弱磁调速范围。这种控制方式使定子磁链按照正六边形轨迹运动，由于正六边形的六条边分别与6非零电压空间矢量相对

2、应，因此可以通过三个施密特触发器来简单切换逆变器的6个工作状态，直接通过6个非零电压空间矢量实现磁链轨迹跟踪控制。与其他方式相比，这种控制方式结构简单，在输出同频率时元件开关次数最少，开关损耗低，因而在要求元件开关频率不太高的大功率场合得到广泛的应用。这种技术已成功地应用于兆瓦级交流电气传动机车上，如德国的大功率GTO电力机车、SIEMENS公司研制的样车EUROSPRINTER等等。由于在这种方法中定子磁链是按照六边形轨迹运动的，因而电压、电流波形畸变比较严重，低速时转矩脉动较大，会在一定程度上限制直接转矩控制的性能发挥。直接转

3、矩的另一种形式是由日本学者ITakahash提出的，是一种定子磁链运动轨迹近似为圆的控制方案。这种方法通过实现计算电机的转矩和磁链误差，结合电机定子磁链的空间位置来选择相应的开关矢量。由于磁链运动轨迹近似为圆形，因而能在一定程度上减少电压、电流中的谐波含量，但控制系统显得更复杂一些，这种控制方式充分发挥新型电力电子器件（如IGBT、IPM等）的开关频率优势，因此在中小功率场合得到极其广泛的应用。和矢量控制思想不同，直接转矩控制摒弃了解耦思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测定子电压和电流，借助瞬时电压空间矢量调制理论计算电机的转

4、矩和磁链，并根据与给定值进行比较所得的差值，实现对磁链和转矩的直接控制。因此，该方案一经提出就有很多学者进行了大量的研究论证，并力图转为实际应用。直接转矩控制技术是现代先进的电机控制技术之一，它的优异动态性能以及对电机参数的鲁棒性，引起了国内外电力电子技术界和电机产业界的热切关注。直接转矩控制方法的基本思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系上进行磁链、转矩计算，通过选择逆变器不同的开关状态直接对转矩进行控制。不同于矢量控制技术，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是直接以转矩作为被控制量进

5、行控制。因此它并非要极力获得理想的正弦波波形，也不是专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制转矩角度出发，强调转矩的直接控制效果，采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。直接转矩控制不需要模仿直流电机的控制，也不需要为解祸而简化交流电机的数学模型，它只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，控制结构简单，便于实现全数字化。直接转矩控制中磁场定向采用定子磁链，定子磁链计算过程中存在的电机参数只有定子电阻，这是一个比较容易得到的参数;而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，转子磁链计算需要知道电机转子电阻和电感，而得到这两

6、个参数比较复杂、困难。因此，直接转矩控制对电机参数的依赖与矢量控制相比要小很多，控制性能，受参数变化影响也比较小。直接转矩控制与矢量控制相比，它的主要特点有(1)直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，控制电机的磁链和转矩。它不需要将交流电机和直流电机进行比较、等效和转化；既不需要模仿直流电机的控制，也不需要为解耦而简化交流电机的数学模型，省掉了复杂的矢量旋转变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作简单，所用的控制信号易于观测，能够对交流电机的物理过程做出直接明确的判断；(2)直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链

7、轴，只要知道定子电阻就可以把它观测出来，而矢量控制的磁场定向所用的是转子磁链轴（在异步电机中），观测转子磁链需要知道电机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题；(3)直接转矩控制采用电压空间矢量的概念来分析三相交流电机的数学模型和控制各物理量，使得问题更简单明了；(4)直接转矩控制强调的是对转速的直接控制效果，因为无论是直流传动还是交流传动，无论电机处于动态还是稳态，传动系统的根本问题都是对转矩的控制。直接转矩控制技术经过将近20年的发展，各方面性能都在不断提高，并已进入实用阶段，

8、国外目前已经成功应用于大功率高速电力机车、地铁和城市有轨电车的主传动系统中。例如穿越英吉利海峡的高速列车采用的就是这种控制系统；德国和日本在这方面的研究都居于世界领先地位。当前研究主要侧重于以下几个方面：(1)磁链调节器和转速调节器的细化改进；(2