崔紅

摘 要：高速電機(jī)在超高精密加工和高性能機(jī)械中的應(yīng)用越來越廣。本文針對高速永磁電機(jī)，建立了高速電機(jī)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(jī)無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)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(jī)圓形磁鏈軌跡和六邊形磁鏈軌跡的自動切換，為高速電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用化實(shí)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(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（b）-0011-02

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

目前對于普通電機(jī)控制策略研究的較多，而且很多方法已經(jīng)實(shí)用化[1-2]。要實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制就要對高速電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，這就需要檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速。對于高速電機(jī)等特種電機(jī)進(jìn)行無速度傳感器的研究可以克服使用機(jī)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(jī)高性能控制方法[3]。直接轉(zhuǎn)矩控制最初在異步電機(jī)上得到了應(yīng)用。近幾年來，該控制方法在永磁電機(jī)上已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)，但是對永磁電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用還有待于進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1 高速永磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

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

2 高速永磁電機(jī)的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制

要實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制就要檢測電機(jī)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(hù)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(jī)來說，使用傳感器來不及檢測高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)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(jī)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(biāo)系上計(jì)算與控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，應(yīng)用定子磁場定向，借助于離散的兩點(diǎn)式控制，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制。為了實(shí)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(jī)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(jī)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(shí)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(shí)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(fù)載為Pe=75kW，Ue=500V，ne=60000r/min，fe=1000Hz的高速永磁電機(jī)為被控對象，對無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，在t=0.05s時(shí)突加T=3N·m的負(fù)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(jī)控制系統(tǒng)仿真，可得出：

（1）建立的高速永磁電機(jī)的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型能實(shí)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(jī)所加的負(fù)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(xiàn)

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

[2] 鄭黎明，肖禮飛.無速度傳感器永磁同步電機(jī)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(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究進(jìn)展[J].微電機(jī)，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(bào)，2006，35（5）：794-797.endprint