永磁同步电机的直接转矩控制(中文)外文翻译

在永磁同步电机直接转矩控制系统中的模拟研究摘要-为了提高永磁同步电机的动态性能，提出了永磁同步电机（ PMSM）的直接转矩控制（ DTC ）方案。基于永磁同步电机的数学模型和DTC系统的工作原理的深入分析，在Matlab / Simulink中建立这个系统的仿真模型，来进行模型的广泛研究。大量的仿真结果表明永磁同步电机的DTC系统具有较快的响应速度和良好的动态性能，验证了这个系统的正确性和可行性。关键词-永磁同步电机;磁链估计;直接转矩控制; 空间矢量脉宽调制I.引言 在过去的几年里永磁同步电机（ PMSM）在越来越多的广泛应用中被熟悉，由于它的特性，例如体积小、重量轻、效率高、惯性小、转子无散热问题等 1。 直接转矩控制（ DTC）是矢量控制之后的一种新的控制方法。它摈弃了矢量解耦思想控制，并使用该定子磁链直接控制磁链和电动机的转矩。因此，该系统的动态反应是非常快的2。 DTC控制策略应用于永磁同步电动机，以提高电机的转矩特性，其目前已经引起了人们的广泛关注。 传统的DTC通常采用开关控制策略来实施。但这种控制策略不能同时满足系统在转矩和磁链上的要求，这导致由系统生成的磁链和转矩有很大的波动并导致脉冲电流的问题和更高的开关频率变化引起的开关噪声。空间矢量脉宽调制（ SVPWM）控制策略已广泛用于电机速度控制领域，由于其潜在的优点，例如小电流波形畸变，直流电压的高利用率，易于数字实现，恒定的开关逆变器的频率，从而有效地降低电机转矩和磁链的脉动等等。本文研究的对象是永磁同步电机。在应用中， 基于空间矢量脉宽调制的DTC策略被用来模拟。结果表明，该系统具有响应速度快的优势，良好的动态性能等3 4。II.永磁同步电机的直接转矩控制技术 永磁同步电机的定子磁链不仅包括由定子电流产生的，而且还包括由永磁转子产生的，这取决于定子和转子的参考系之间的位置角度。因此定子磁链可以表示为： （1）其中，下标s是静态的参考坐标系，是定子自感， 是转子永磁磁链。 基于定子参考框架的永磁同步电机定子电压方程可以被表示为以下等式： （2）因此 （3） 根据坐标变换公式，从静止坐标转换为旋转坐标的矢量转换如下： （4） 把公式（1）和公式（3 ）代入到公式（4） ，我们得到定子磁链和定子电压在旋转坐标系统中的表达式： （5） （6） 在d-q旋转坐标系中，电压矢量，电流和磁链可以分解为： （7） （5）和（6）可以被分解于实轴部和虚轴部： （8） （注：当它是非凸极电机时） （9） 各种永磁同步电机的坐标系统和相关的向量如图1所示，其中A， B，C：定子三相固定轴 定子两相静止轴 转子的旋转轴， d轴方向是所述转子磁极方向 同步旋转轴，直流轴方向是定子磁极方向 直流轴和d轴之间的角度图1.永磁同步电机的向量图 电机电磁转矩可以表示为： （10） 其中，P是电动机的极对。 电动机磁链和电流可以被分解成轴分量： （11） 然后，电机电磁转矩可以被描述为： （12） 根据式（4）到（10） ， （13） 可以看出的是 （14） 基于PARK变换， （15） 转矩公式可以通过式（ 15）带入式（14）获得： （16） 上述公式表明，如果该电机定子磁链的振幅保持恒定时，电磁转矩正比于定子电流在轴线的分量。 III.直接转矩控制系统仿真模型A.数学模型 直接转矩控制计算和定子磁链和永磁同步电机的转矩控制直接实现高动态性能，在定子坐标系中。永磁同步电机的直接转矩控制框图如图2所示。通过克拉克坐标变换和Park坐标变换，在d -q轴上的分量和，可以从相电流的采样值和所获得的。然后，、和可以通过和估算。此系统使用速度、磁通链和转矩的三闭环控制。采用速度偏差作为输入值，外环PI控制器输出是转矩环的给定值。然后采取转矩偏差作为输入值，转矩环PI控制器输出的修正值是和之间的角度。在d-q轴的分量和可以通过、和估算。通过和的Park逆变换可以生成空间矢量脉宽调制控制信号，然后驱动永磁同步电机5 6 。在图2中，磁链估计量可以表示为： （17） 转矩估算量可以表示为： （18） 电压估计值可以表示为： （19） 其中，是磁链的采样时间，是转矩定子磁链的给定值。此外， （20） 为减少计算，、可表示为： （21）图2.基于直接转矩控制的永磁同步电机的结构图B.仿真模型MATLAB7.0的SimPowerSystem模块库用于在本文。基于上述数学模型的分析，永磁同步电机的DTC系统的仿真模型被建立。系统仿真模型如图3所示。当在永磁同步电机的三相对称绕组上施加三相对称电流时，一个旋转磁场将会产生。在d-q轴上的分量、可从相电流的采样值和通过克拉克坐标变换和Park坐标变换得到。 图3.基于直接转矩控制的永磁同步电机的仿真模型 1 ）磁链估计器模块：磁链估计模块是由式（ 17）如图4中所示来确定。、将由电流、通过磁链估计模块估算得到。、是指图4中的flux_sd、flux_sq。 图4.磁链估计模块的内部结构 2 ）转矩估计模块：转矩估计模块是由式（15）确定的，如图5所示。图5.转矩估计模块的模型 3 ）电压估计模块：电压估计模块是由式（19）决定的，如图6所示。 图6.电压估计器模块的结构 其中，d磁通估计模块是、的估计值，由式（21）来确定。模型的细节如图7 所示。 图7. 、估计模块的内部结构4 ）Park逆变换模块：逆Park变换模块如图8所示 。图8.逆Park变换模块的结构 5 ）空间矢量脉宽调制模块：空间矢量脉宽调制模块在模块库中的途径：Sim Power Systems/Extra Library/Discrete Control BlocksIV .仿真结果和波形分析 在本文中，永磁同步电动机的参数选择为：，永磁体磁链，逆变器的开关频率是10KHz 。负载转矩是8Nm，速度的给定值是300r /min时，起动特性如图9所示。启动时间可以从图9（a）中读出为7ms。负载转矩从8.5Nm突变到13Nm所需时间从图10读出为0.025s，其中过渡时间可以被看作是0.7ms。负载转矩从8.5Nm减少到5Nm所需时间从图10读出为0.025s，其中的过渡时间可以被看作是0.3ms 。 当电机启动时，从图中可以看到它的转矩脉冲很大。由于机电时间常数比电磁时间常数大得多，定子磁链的瞬时变化率比转子磁链的瞬时变化率大。在开始时，系统未到达平衡。当电机的实际转矩小于给定值时，定子和转子磁链之间的角度增加，导致转矩快速增长;反之亦然。这就是电动机启动时转矩脉动很大的原因。 从模拟结果可以看出基于DTC控制的永磁同步电机系统具有转矩和定子磁链的响应速度快，良好的速度跟随性能，良好的动态和静态特性。（a）转矩和速度响应曲线（b）磁链响应曲线图9.启动特性图10.当负荷增大时转速和转矩的响应图11_负荷减少时速度和转矩的响应V. 结论 在本文中，Matlab / Simulink软件被用于模拟并分析永磁同步电机的DTC系统，通过分析永磁同步电机的DTC工作原理。大量的仿真结果表明，该DTC系统具有响应速度快，动态性能好的特点。由此，这个系统解决方案的正确性和可行性得到了验证。参考文献1 李冶、闫鑫品，“永磁同步电机在伺服系统中的角度和地位”，微电机伺服技术，2001 年，第四卷，第30-33页。2 李新堂，李民忠，“以低转矩和磁链波动启动的内部永磁同步电机新型直接转矩控制手册”，美国电子电气工程师协会学术期刊，2003年，39卷，第6章，第1748-1756页3 Habetler T.G.、戴维D.M “采用离散脉冲调制的直接转矩控制策略”美国电子电气工程师协会学术期刊，1991年，39卷，第6章，第893-901页4 苏丹，“高性能直接转矩控制永磁同步电机”，博士论文，浙江大学，2004年，第129-138页 。5 D.孙，