特种电机无传感器直接转矩控制研究

崔红

摘 要：高速电机在超高精密加工和高性能机械中的应用越来越广。本文针对高速永磁电机，建立了高速电机的无传感器直接转矩控制仿真模型，应用MATLAB软件对高速永磁电机无传感器直接转矩控制系统进行了仿真。仿真结果表明了无传感器直接转矩控制能够实现高速电机圆形磁链轨迹和六边形磁链轨迹的自动切换，为高速电机控制系统应用化实现提供了依据。

關键词：直接转矩控制 无传感器控制 圆形磁链 六边形磁链

中图分类号：TM310 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）11（b）-0011-02

高速电机由于转速高，电机的功率密度大，动态响应较快等优点目前正在成为国际电工领域的研究热点之一。

目前对于普通电机控制策略研究的较多，而且很多方法已经实用化[1-2]。要实现高性能的电机控制就要对高速电机进行闭环控制，这就需要检测电机转速。对于高速电机等特种电机进行无速度传感器的研究可以克服使用机械传感器给调速系统带来的缺陷。

直接转矩控制是继矢量控制之后的一种交流电机高性能控制方法[3]。直接转矩控制最初在异步电机上得到了应用。近几年来，该控制方法在永磁电机上已经初步实现，但是对永磁电机直接转矩控制系统的实际应用还有待于进行进一步研究。

1 高速永磁电机的数学模型

高速永磁电机空间矢量图如图1所示，图中α、β坐标系为定子静止坐标系，d、q坐标系为转子旋转坐标系，d轴与转子磁链方向重合并以同步速度ω逆时针旋转。两坐标系之间的夹角为θ。

2 高速永磁电机的无传感器直接转矩控制

要实现高性能的电机控制就要检测电机转速，但安装速度传感器会使系统复杂性增加，可靠性降低，使系统的成本增加、维护要求提高。对于本文所研究的几万转/分钟的高速永磁电机来说，使用传感器来不及检测高速旋转的电机的速度，因此采用无传感器技术来估算。

直接转矩控制以电机的定子转矩为控制对象，采用空间电压矢量分析法，直接在定子坐标系上计算与控制电机的转矩，应用定子磁场定向，借助于离散的两点式控制，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制。为了实现高性能的控制效果，本文在直接转矩控制系统中，在低速区（15%额定转速）采用精度高的圆形磁链轨迹控制，在高速区由于开关频率限制，采用基于六边形磁链轨迹控制[4]。

高速永磁电机的无传感器直接转矩控制仿真模型中包括定子磁链估算、转矩估算、速度估算、磁链区间的判断、电流和电压的3/2变换、圆形磁链和六边形磁链模型切换等子模块。

在低速区直接转矩控制系统通过电机转矩误差状态τ、磁链误差状态ψ和磁链所在的扇区选择逆变器的开关信号。逆变器开关表如表1所示。在仿真模型中通过查表来实现。

表中S=2ψ+τ+1。转矩误差信号、磁链误差信号分别通过转矩调节器及磁链调节器的滞环控制单元后，获得0、1控制信号，按上表来选择电压空间矢量就可在低速区实现转矩的快速调节。电压空间矢量、磁链扇区如图2所示。

在高速区转矩直接自控制系统通过控制电压空间矢量的工作状态与零状态之间的交替接通，通过控制定子磁链走停来控制电磁转矩，而定子磁链的轨迹是正六边形。

3 系统仿真

本文以负载为Pe=75kW，Ue=500V，ne=60000r/min，fe=1000Hz的高速永磁电机为被控对象，对无传感器直接转矩控制系统进行了仿真，在t=0.05s时突加T=3N·m的负载，仿真结果如图3～图5所示。

4 结论

通过对高速永磁电机控制系统仿真，可得出：

（1）建立的高速永磁电机的无传感器直接转矩控制系统仿真模型能实现圆形磁链轨迹和六边形磁链轨迹的自动切换。

（2）转矩波形与电机所加的负载情况一致，超调量小。

（3）转速超调量小，跟踪效果较好。

参考文献

[1] 顾光旭，邓智泉.永磁同步电动机两种矢量控制方式的仿真研究[J].系统仿真学报，2002，14（12）：1706-1708.

[2] 郑黎明，肖礼飞.无速度传感器永磁同步电机直接转矩控制系统[J].电力电子技术，2005，39（3）：68-70.

[3] 韩崇伟，陈腾飞，李伟，等.永磁同步电机直接转矩控制技术研究进展[J].微电机，2016，49（1）：75-81.

[4] 张春，郭兴众，江明，等.全速范围直接转矩控制新型建模与研究[J].电子科技大学学报，2006，35（5）：794-797.endprint