崔紅

摘 要：高速電機在超高精密加工和高性能機械中的應(yīng)用越來越廣。本文針對高速永磁電機，建立了高速電機的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型，應(yīng)用MATLAB軟件對高速永磁電機無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行了仿真。仿真結(jié)果表明了無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制能夠?qū)崿F(xiàn)高速電機圓形磁鏈軌跡和六邊形磁鏈軌跡的自動切換，為高速電機控制系統(tǒng)應(yīng)用化實現(xiàn)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制 無傳感器控制 圓形磁鏈 六邊形磁鏈

中圖分類號：TM310 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（b）-0011-02

高速電機由于轉(zhuǎn)速高，電機的功率密度大，動態(tài)響應(yīng)較快等優(yōu)點目前正在成為國際電工領(lǐng)域的研究熱點之一。

目前對于普通電機控制策略研究的較多，而且很多方法已經(jīng)實用化[1-2]。要實現(xiàn)高性能的電機控制就要對高速電機進行閉環(huán)控制，這就需要檢測電機轉(zhuǎn)速。對于高速電機等特種電機進行無速度傳感器的研究可以克服使用機械傳感器給調(diào)速系統(tǒng)帶來的缺陷。

直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制之后的一種交流電機高性能控制方法[3]。直接轉(zhuǎn)矩控制最初在異步電機上得到了應(yīng)用。近幾年來，該控制方法在永磁電機上已經(jīng)初步實現(xiàn)，但是對永磁電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用還有待于進行進一步研究。

1 高速永磁電機的數(shù)學(xué)模型

高速永磁電機空間矢量圖如圖1所示，圖中α、β坐標系為定子靜止坐標系，d、q坐標系為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系，d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向重合并以同步速度ω逆時針旋轉(zhuǎn)。兩坐標系之間的夾角為θ。

2 高速永磁電機的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制

要實現(xiàn)高性能的電機控制就要檢測電機轉(zhuǎn)速，但安裝速度傳感器會使系統(tǒng)復(fù)雜性增加，可靠性降低，使系統(tǒng)的成本增加、維護要求提高。對于本文所研究的幾萬轉(zhuǎn)/分鐘的高速永磁電機來說，使用傳感器來不及檢測高速旋轉(zhuǎn)的電機的速度，因此采用無傳感器技術(shù)來估算。

直接轉(zhuǎn)矩控制以電機的定子轉(zhuǎn)矩為控制對象，采用空間電壓矢量分析法，直接在定子坐標系上計算與控制電機的轉(zhuǎn)矩，應(yīng)用定子磁場定向，借助于離散的兩點式控制，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制。為了實現(xiàn)高性能的控制效果，本文在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，在低速區(qū)（15%額定轉(zhuǎn)速）采用精度高的圓形磁鏈軌跡控制，在高速區(qū)由于開關(guān)頻率限制，采用基于六邊形磁鏈軌跡控制[4]。

高速永磁電機的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型中包括定子磁鏈估算、轉(zhuǎn)矩估算、速度估算、磁鏈區(qū)間的判斷、電流和電壓的3/2變換、圓形磁鏈和六邊形磁鏈模型切換等子模塊。

在低速區(qū)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)通過電機轉(zhuǎn)矩誤差狀態(tài)τ、磁鏈誤差狀態(tài)ψ和磁鏈所在的扇區(qū)選擇逆變器的開關(guān)信號。逆變器開關(guān)表如表1所示。在仿真模型中通過查表來實現(xiàn)。

表中S=2ψ+τ+1。轉(zhuǎn)矩誤差信號、磁鏈誤差信號分別通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器及磁鏈調(diào)節(jié)器的滯環(huán)控制單元后，獲得0、1控制信號，按上表來選擇電壓空間矢量就可在低速區(qū)實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)。電壓空間矢量、磁鏈扇區(qū)如圖2所示。

在高速區(qū)轉(zhuǎn)矩直接自控制系統(tǒng)通過控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)與零狀態(tài)之間的交替接通，通過控制定子磁鏈走停來控制電磁轉(zhuǎn)矩，而定子磁鏈的軌跡是正六邊形。

3 系統(tǒng)仿真

本文以負載為Pe=75kW，Ue=500V，ne=60000r/min，fe=1000Hz的高速永磁電機為被控對象，對無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行了仿真，在t=0.05s時突加T=3N·m的負載，仿真結(jié)果如圖3～圖5所示。

4 結(jié)論

通過對高速永磁電機控制系統(tǒng)仿真，可得出：

（1）建立的高速永磁電機的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型能實現(xiàn)圓形磁鏈軌跡和六邊形磁鏈軌跡的自動切換。

（2）轉(zhuǎn)矩波形與電機所加的負載情況一致，超調(diào)量小。

（3）轉(zhuǎn)速超調(diào)量小，跟蹤效果較好。

參考文獻

[1] 顧光旭，鄧智泉.永磁同步電動機兩種矢量控制方式的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2002，14（12）：1706-1708.

[2] 鄭黎明，肖禮飛.無速度傳感器永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[J].電力電子技術(shù)，2005，39（3）：68-70.

[3] 韓崇偉，陳騰飛，李偉，等.永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究進展[J].微電機，2016，49（1）：75-81.

[4] 張春，郭興眾，江明，等.全速范圍直接轉(zhuǎn)矩控制新型建模與研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，2006，35（5）：794-797.endprint