1、第第5章章 三相永磁同步电三相永磁同步电动机直接转矩控制动机直接转矩控制现代电机控制技术现代电机控制技术2345.1.1 5.1.1 转矩生成与控制转矩生成与控制 1面装式面装式 PMSM 面装式面装式 PMSM 中的定子电流和磁链矢量中的定子电流和磁链矢量如图如图 5-1 所示，在面装式所示，在面装式PMSM 中，存在着中，存在着如下如下三个磁场三个磁场：一个是永磁体产生的励磁磁场一个是永磁体产生的励磁磁场f，称，称为为转子磁场转子磁场；一个是定子一个是定子电流矢量电流矢量si产生的产生的电枢磁电枢磁场场ssiL；另另一个是由两者一个是由两者合成而得的合成而得的定子磁场定子磁场s。即有即有
2、fsssi L (5-1) 电磁转矩的生成可看电磁转矩的生成可看成是两个磁场相互作用的成是两个磁场相互作用的结果结果，可认为是由转子磁可认为是由转子磁场与电枢磁场相互作用生成的场与电枢磁场相互作用生成的。 图图 5-1 面装式面装式 PMSM中的定子电流和磁链矢量中的定子电流和磁链矢量 5利用式利用式(5-3)，可进行以定子磁场定向的，可进行以定子磁场定向的矢量控制矢量控制。 电磁转矩还可看成是转子磁场电磁转矩还可看成是转子磁场f与定子磁场相互作用的结果，即有与定子磁场相互作用的结果，即有 e0fs sfs0fss1()1 tpLLpLi (5-4) 根据式根据式(5-4)，可进行，可进行直接
3、转矩控制直接转矩控制。 7将式将式(5-4)表示为表示为 e0fssfs1sintpL (5-5) 在在式式(5-5)中， 转子磁链矢量中， 转子磁链矢量f的幅值不变， 若能控制定子磁链矢的幅值不变， 若能控制定子磁链矢量量s的幅值为常值，电磁转矩就仅与的幅值为常值，电磁转矩就仅与sf有关，有关，sf称负载角，通过控称负载角，通过控制制sf可以控制电磁转矩，这就是可以控制电磁转矩，这就是 PMSM 直接转矩控制基本原理直接转矩控制基本原理。 在在 ABC 轴系中，定子电压矢量方程为轴系中，定子电压矢量方程为 tRddssssiu (5-6) 若忽略定子电阻若忽略定子电阻sR的影响，则有的影响，
4、则有 t ddssu (5-7) 式式(5-7)可可近似近似表示为表示为 tssu (5-8) 8式式(5-8)表明，在很短时间表明，在很短时间t内，矢量内，矢量s的增量的增量s等于等于su与与t的乘的乘积，积，s的方向与外加电压的方向与外加电压su的方向相同的方向相同。定子电压矢量作用与定子磁链定子电压矢量作用与定子磁链矢量轨迹变化矢量轨迹变化如图如图 5-2 所示。所示。 图图 5-2 中中，定子，定子磁链矢量磁链矢量s为为 sjsse (5-9) 式中，式中，tdss，s为为s的旋转速的旋转速度。度。 图图 5-2 定子电压矢量作用与定子磁链矢量轨迹变化定子电压矢量作用与定子磁链矢量轨迹
5、变化 910在在很很短时间内，短时间内，依靠依靠snu的的作用可使作用可使s加速旋转加速旋转（因为电气时因为电气时间常数较小，所以这是可以实现的间常数较小，所以这是可以实现的） ，而） ，而这期间转子速度尚来不及这期间转子速度尚来不及变化变化（因为因为机械机械时间常数要比电气时间常数大得多时间常数要比电气时间常数大得多） ，由此可拉大，由此可拉大负载角负载角sf，若能同时保持若能同时保持s不变，就可不变，就可使电磁转矩增大使电磁转矩增大；反之，反之，若在若在这这短时间内使短时间内使s反方向旋转，可使反方向旋转，可使sf变小，电磁转矩变小，电磁转矩便便随之随之减小。减小。 由式由式(5-12)，
6、可得，可得 sssnddddttu (5-14) 式式(5-14)表明，控制表明，控制切切向电压向电压snu的作用速率，可以的作用速率，可以快速快速改变改变s旋旋转速度，转速度，也也就可以就可以快速快速改变改变电磁转矩电磁转矩。 11在直接转矩控制中， 可以在很短的时间内突加足够大的在直接转矩控制中， 可以在很短的时间内突加足够大的切切向电压，向电压，因此能够快速改变电磁转矩，提高了控制系统的动态响应能力。因此能够快速改变电磁转矩，提高了控制系统的动态响应能力。 由上述分析可以看出， 就直接转矩控制的原理和方式而言，由上述分析可以看出， 就直接转矩控制的原理和方式而言， PMSM与三相感应电动
7、机并没有什么不同。两者都是通过控制与三相感应电动机并没有什么不同。两者都是通过控制定子磁链矢量定子磁链矢量幅值和幅值和负载角来控制电磁转矩，只是负载角来控制电磁转矩，只是 PMSM 的负载角的负载角sf为定子磁链为定子磁链矢量矢量s与转子永磁励磁磁链矢量与转子永磁励磁磁链矢量f间的相位间的相位差差， 而三相感应电动机的， 而三相感应电动机的负载负载角角sr为定子磁链矢量为定子磁链矢量s与转子磁链矢量与转子磁链矢量r间的相位间的相位差差。 122. 插入式和内装式插入式和内装式 PMSM 对于插入式和内装式对于插入式和内装式 PMSM，由式由式(3-57)已知，已知，电磁转矩方程为电磁转矩方程为
8、 e0f qdqd q()tpiLL i i (5-15) 图图 5-3 所示所示为插入式和内装式为插入式和内装式 PMSM 的矢量图。的矢量图。 图图 5-3 插入式和内装式插入式和内装式 PMSM 的的矢量图矢量图 13图图 5-3 中，定子磁链矢量中，定子磁链矢量s在在 dq 轴系中的两轴系中的两个分量个分量d和和q可表可表示为示为 ddfdiL (5-16) qqqiL (5-17) 还可以将还可以将d和和q表示为表示为 sfsdcos (5-18) sfsqsin (5-19) 将式将式(5-18)和式和式(5-19)代入式代入式(5-16)和式和式(5-17)，可得，可得 dfsf
9、sdcosLi (5-20) qsfsqsinLi (5-21) 14将式将式(5-20)和式和式(5-21)分别代入式分别代入式(5-15)，可得，可得 2e0fsqsfdqssfdq11sin()sin22tpLLLL L (5-22a) 或者或者 dq2fse0sfssfddqsinsin22LLtpLL L (5-22b) 式式(5-22a)和和式式(5-22b)表明，若控制表明，若控制s为常值，转矩就仅与负载角为常值，转矩就仅与负载角sf有关，通过控有关，通过控制制sf即可控制转矩。 对于面装式即可控制转矩。 对于面装式 PMSM， 因有， 因有sqdLLL， 式， 式(5-22a)
10、和式和式(5-22b)便成为式便成为式(5-5)的形式。的形式。同面装式同面装式 PMSM 相比相比，虽然插入式和内装式虽然插入式和内装式 PMSM 产生产生了磁阻转矩，但是两者直接转矩控制原理相同。了磁阻转矩，但是两者直接转矩控制原理相同。 稳态运行时稳态运行时，电动机电磁功率可表示为电动机电磁功率可表示为 seetp (5-23) 式中，式中，s为机械角速度，为机械角速度，ss0p。 15在正弦稳态下在正弦稳态下则有则有：sr ，fs0e ；在忽略定子电阻；在忽略定子电阻sR情况下，情况下，sssu ；且有；且有dsdLX，qsqLX，Xd和和 Xq分别为直轴同步电抗和分别为直轴同步电抗和
11、交轴同步电抗交轴同步电抗；003Ee ，ss3Uu ，0E和和sU分别为每相分别为每相绕组绕组感应电感应电动势和外加电压有效值。动势和外加电压有效值。于是，可将于是，可将式式(5-22a)或或式式(5-22b)表示为表示为 200s0sesfsfsdsqd11sinsin22mp E Ump UtXXX (5-24) 式中，式中，m 为相数，为相数，3m。 式式(5-24)与电机学中与电机学中电励磁电励磁三相凸极同步电动机的电磁三相凸极同步电动机的电磁转矩转矩表达式相表达式相同， 只是对于同， 只是对于 PMSM 而言，而言，qdXX， 与电励磁同步电动机相反。 式中的， 与电励磁同步电动机相
12、反。 式中的sf原本是原本是定子磁链定子磁链矢量矢量s（定子磁场）（定子磁场）与与永磁励磁磁链矢量永磁励磁磁链矢量f（转子磁场）（转子磁场）间的空间相位间的空间相位角角，如图，如图 3-14 所示。所示。 16在图在图 3-14 中，感应电动势矢量中，感应电动势矢量0e超前超前f90空间电角度，若忽略定空间电角度，若忽略定子电阻压降矢量子电阻压降矢量ssiR，则定子电压矢量，则定子电压矢量su超前超前s90空间电角度，于是负空间电角度，于是负载角载角sf也是也是su和和0e间的空间相位角。间的空间相位角。 将将图图 3-14 转换为相量图转换为相量图 3-15a 后，后，sf就成为时域内相量就
13、成为时域内相量sU和和0E间的时间相位角（间的时间相位角（忽略定子电阻压降忽略定子电阻压降ssIR） 。亦） 。亦即， 在直接转矩控制中， 控制即， 在直接转矩控制中， 控制s与与f间的空间相位角， 即相当于控制间的空间相位角， 即相当于控制sU和和0E间的时间相位角。间的时间相位角。 由式由式(5-23)和式和式(5-24)，可得，可得 20ssesfsfdd11sinsin22qE UUPmmXXX (5-25) 式式（5-25）与电机学中电励磁三相凸极同步电动机的电磁功率表达式相同，与电机学中电励磁三相凸极同步电动机的电磁功率表达式相同，只是对于只是对于 PMSM 而言，而言，qdXX，
14、与电励磁同步电动机相反。，与电励磁同步电动机相反。此时此时，式中，式中的的sf称为功率角称为功率角。 1718可以选择合适的开关电压矢量来同时控制可以选择合适的开关电压矢量来同时控制s幅值和旋转速度。幅值和旋转速度。 开关电压矢量的选择原则与三相感应电动机开关电压矢量的选择原则与三相感应电动机滞环控制滞环控制时所确定时所确定的原则完全相同。的原则完全相同。 例如， 当例如， 当s处于区间处于区间时， 在时， 在 G2点点s已达到磁链滞环比较器下已达到磁链滞环比较器下限值，应选择限值，应选择 us2或或 us6；而对于而对于 G1点，点，s已达到比较器上限值，应已达到比较器上限值，应选择选择 u
15、s3或或 us5。与此同时，在。与此同时，在 G2或或 G1点，可选择点，可选择 us2或或 us3使使s向前向前旋转，旋转，或者或者选择选择 us5或或 us6使使s向后旋转，向后旋转，以此来以此来改变负载角改变负载角sf，使使转矩增大或减小转矩增大或减小。当。当s在其它区间时也按此原则选择开关电压矢量，在其它区间时也按此原则选择开关电压矢量，由此可确定开关电压矢量选择规则，如表由此可确定开关电压矢量选择规则，如表 5-1 所示。所示。 19表表 5-1 开关电压矢量选择表开关电压矢量选择表 t 1 1 us2 us3 us4 us5 us6 us1 -1 us6 us1 us2 us3 u
16、s4 us5 -1 1 us3 us4 us5 us6 us1 us2 -1 us5 us6 us1 us2 us3 us4 表表 5-1 中，中，和和t值分别由磁链和转矩滞环比较器给出，值分别由磁链和转矩滞环比较器给出，1和和1t表示应使表示应使s和和et增加，增加，1和和1t表示应使表示应使s和和et减小，减小，这种滞环比较控制方式与三相感应电动机直接转矩控制中采用的基本相这种滞环比较控制方式与三相感应电动机直接转矩控制中采用的基本相同，只是这里没有采用零开关电压矢量同，只是这里没有采用零开关电压矢量 us7和和 us8。 图图 5-5是直接转矩是直接转矩控制系统控制系统原理框图。 对比图
17、原理框图。 对比图 5-5和图和图 4-8可以看出，可以看出，两者构成基本相同。两者构成基本相同。 20图图5-5 直接转矩控制系统原理框图直接转矩控制系统原理框图 215.1.3 磁链和转矩估计磁链和转矩估计 无论是感应电动机还是无论是感应电动机还是 PMSM， 直接转矩控制都是直接将转矩和定直接转矩控制都是直接将转矩和定子磁链作为控制变量子磁链作为控制变量，滞环比较控制就是利用两个滞环比较器直接控制，滞环比较控制就是利用两个滞环比较器直接控制转矩和磁链的偏差，显然能否获得转矩和定子磁链的真实信息是至关重转矩和磁链的偏差，显然能否获得转矩和定子磁链的真实信息是至关重要的。电磁转矩的估计在很大
18、程度上取决于定子磁链估计的准确性，因要的。电磁转矩的估计在很大程度上取决于定子磁链估计的准确性，因此首先要保证定子磁链估计的准确性。此首先要保证定子磁链估计的准确性。 1电压模型电压模型 同感应电动机一样，可由定子电压矢量方程估计定子磁链矢量，同感应电动机一样，可由定子电压矢量方程估计定子磁链矢量，即即有有 sss s(-)dRtui (5-26) 22一般情况下， 由矢量一般情况下， 由矢量s在定子在定子DQ坐标中的两个分量坐标中的两个分量D和和Q来来估计它的幅值和空间相位角估计它的幅值和空间相位角s，即，即 DDs D(-)duR it (5-27) QQs Q(-)duR it (5-2
19、8) 2Q2Ds (5-29) sQsarcsin (5-30) 式中，式中，Di和和 iQ由定子三相电流由定子三相电流 iA、iB和和 iC的检测值经坐标变换后求的检测值经坐标变换后求得，得， uD和和 uQ可以是检测值， 也可直接由逆变器开关状态， 利用式可以是检测值， 也可直接由逆变器开关状态， 利用式(4-41)和式和式(4-42)求得。求得。 232电流模型电流模型 电流模型是利用式电流模型是利用式(5-16)和式和式(5-17)来获取来获取d和和q。 但这两个方程是以转子但这两个方程是以转子 dq 轴系表示的，必须进行坐标变换，轴系表示的，必须进行坐标变换，才能由才能由Di和和 i
20、Q求得求得di和和 iq，这需要实际检测转子位置。，这需要实际检测转子位置。 此外，估计是否准确，还取决于电动机参数此外，估计是否准确，还取决于电动机参数 Ld、Lq和和f是否是否与实际值相一致，必要时需要对相关参数进行在线测量或辨识。与实际值相一致，必要时需要对相关参数进行在线测量或辨识。 但与电压模型相比，电流模型但与电压模型相比，电流模型中中消除了定子电阻变化的影响，消除了定子电阻变化的影响，不存在低频积分困难的问题。不存在低频积分困难的问题。 24图图 5-6 是是由由电流模型估计定子磁链的系统框图。图中表明，也可以电流模型估计定子磁链的系统框图。图中表明，也可以用电流模型来修正电压模
21、型低速时的估计结果。用电流模型来修正电压模型低速时的估计结果。 图图 5-6 由电流模型估计定子磁链由电流模型估计定子磁链的系统框图的系统框图 25实际上，实际上，在在转矩和定子磁链的滞环比较控制转矩和定子磁链的滞环比较控制中中，控制周期很短，这，控制周期很短，这要求定子磁链的估计至少要在与之相同的时间量级内完成。对于电压模要求定子磁链的估计至少要在与之相同的时间量级内完成。对于电压模型来说这点可以做到，而型来说这点可以做到，而采用采用电流模型能做到这点就比较困难。因为后电流模型能做到这点就比较困难。因为后者需要测量转子位置， 并要进行转子位置传感器者需要测量转子位置， 并要进行转子位置传感器
22、(例如光电编码器例如光电编码器)和电动和电动机控制模块间的通信，加之电压模型中的电压积分本身就具有滤波性质，机控制模块间的通信，加之电压模型中的电压积分本身就具有滤波性质，而电流模型中的电流包含了所有谐波，还需增加滤波环节，由于这些原而电流模型中的电流包含了所有谐波，还需增加滤波环节，由于这些原因使得这两个模型不大可能在相同的时间量级内完成定子磁链估计。因使得这两个模型不大可能在相同的时间量级内完成定子磁链估计。 例如，例如，采用采用电压模型可能每电压模型可能每 25s 完成一次磁链估计，而电流模型大完成一次磁链估计，而电流模型大约需要约需要 1ms，这样就不能在每一控制周期内都能对电压模型的
23、估计结果这样就不能在每一控制周期内都能对电压模型的估计结果进行修正，但可以间断性地予以修正。进行修正，但可以间断性地予以修正。 263电磁转矩估计电磁转矩估计 可利用式可利用式(4-49)估计转矩，即有估计转矩，即有 e0D QQ D()tp i i (5-31) 式中，式中，D和和Q为估计值，为估计值，Di和和Qi为实测值。为实测值。 275.1.4 电电动动机参数和转速影响机参数和转速影响 1电电动动机参数机参数的的影响影响 在图在图 5-1 和和图图 5-3 中，中，若将若将 MT 轴系沿定子磁场轴系沿定子磁场方向方向定向定向，再，再将定子将定子电压矢量方程电压矢量方程(5-6)变换到变
24、换到此此 MT 轴系，轴系，则则可得可得 MssMsMssMsjddiutR (5-32) 电压分量方程为电压分量方程为 tiRuddMMsM (5-33) MsTsTiRu (5-34) 式中，式中，sM。 28对于面装式对于面装式 PMSM，由由图图 5-7，可得，可得 sffMsMcosiL (5-35) 在此在此 MT 轴系中，轴系中，Mu即为即为图图 5-2 中的中的sru，Tu即为图即为图5-2 中的中的snu，因此直接转，因此直接转矩控制是在以定子磁场定矩控制是在以定子磁场定向的向的 MT 轴系内实现的，轴系内实现的，最终还是通过控制励磁电最终还是通过控制励磁电流流Mi和转矩电流
25、和转矩电流Ti来控来控制定子磁链和转矩，这与制定子磁链和转矩，这与定子磁场定向矢量控制定子磁场定向矢量控制在在本质上是一样的。本质上是一样的。将式将式(5-35)代入式代入式(5-33)，可得，可得 srfsfMMsMssindduiRtiL (5-36) 图图 5-7 定子磁场定向定子磁场定向 MT 轴系轴系 29即有即有 pTeuRisMfMsM1)(1 (5-37) 式中，式中，sssRLT ，为定子时间常数；，为定子时间常数；sf为为s相对相对f的旋转速度；的旋转速度；Mfe为为f在在M 轴绕组中产生的运动电动势，轴绕组中产生的运动电动势，sffsfMfsine。 式式(5-37)表明
26、，表明，在在Mu作用下，由于定子同步电感的存在，作用下，由于定子同步电感的存在，Mi的变化会滞后于的变化会滞后于Mu。 当采用数字化控制时，。 当采用数字化控制时，Mi在一个周期在一个周期 T 内的变化规律， 可由式内的变化规律， 可由式(5-38)来描述，来描述，即即 )e1)()(1e )()(ssss/MfMs/M1MLTRnnLTRnnTeTuRTiTi (5-38) 式中，式中，)(MnTi是周期是周期nT结束时的电流，其在结束时的电流，其在1nT周期内将按时间常数周期内将按时间常数sT的指数规的指数规律衰减；律衰减；)(1MnTi是周期是周期1nT结束时的电流值。 等式左端为结束时
27、的电流值。 等式左端为Mi在在1nT周期内的增量。周期内的增量。 30如图如图 5-7 和式和式(5-35)所示，定子磁场幅值的控制是通过控制电枢磁所示，定子磁场幅值的控制是通过控制电枢磁场场 M 轴分量轴分量MsiL来实现的。来实现的。 由于同步电感由于同步电感sL的影响，励磁电流的影响，励磁电流Mi无论是增加还是减小都不会无论是增加还是减小都不会即刻跟踪外加电压即刻跟踪外加电压Mu的变化，这会影响磁链控制的快速性。的变化，这会影响磁链控制的快速性。 显然，对于插入式和内装式显然，对于插入式和内装式 PMSM 而言，同样会受到而言，同样会受到 Ld和和 Lq的影的影响。响。 另一方面，如果另
28、一方面，如果Mu过大，或者作用周期过长，将会产生较大的磁过大，或者作用周期过长，将会产生较大的磁链偏差链偏差s，使其超过滞环带宽，使其超过滞环带宽s2 。 312电电动动机转速机转速的的影响影响 可将式可将式(5-34)表示为图表示为图 5-8 所示所示的的 T 轴电压方程等效电路轴电压方程等效电路。图中图中Ms为为M轴磁链轴磁链)(sM在在T轴产轴产生的运动电动势。当控制生的运动电动势。当控制s恒定恒定时，外加电压时，外加电压Tu将主要决定于定子将主要决定于定子磁链矢量磁链矢量s的旋转速度的旋转速度s，也就直，也就直接与电接与电动动机转速有关。机转速有关。 在滞环比较控制中，电在滞环比较控制
29、中，电动动机低速运行时，若在机低速运行时，若在t时间内，时间内，作用作用的的)(snTuu过大，如图过大，如图 5-8 和式和式(5-34)所示，会产生较大的电流所示，会产生较大的电流Ti。 由于由于在沿定子磁场定向的在沿定子磁场定向的 MT 轴系中，轴系中，0T，T 轴方向上不存轴方向上不存在磁场，在磁场，Ti变化变化不受任何阻尼作用，因此形成了冲击电流，与此同时不受任何阻尼作用，因此形成了冲击电流，与此同时将会引起转矩脉动。将会引起转矩脉动。 图图 5-8 T 轴电压方程等效电路轴电压方程等效电路 3233在图在图 5-9 中，定子磁链矢量中，定子磁链矢量s在静止在静止 ABC（DQ）轴系
30、中的空间相）轴系中的空间相位角为位角为s。为产生。为产生转矩转矩增量增量et，s的旋转速度应大于的旋转速度应大于f，使得能够产，使得能够产生生负载负载角增量角增量sf， 为为此定子磁链矢量此定子磁链矢量s应运动到新的位置， 成为应运动到新的位置， 成为ref s，其相位角为其相位角为sfssref。其幅值其幅值*sref s，*s为指令值。为指令值。 s的变化应满足定子电压方程，即有的变化应满足定子电压方程，即有 tRddssssiu (5-40) 在在 DQ 轴系轴系内，式内，式(5-40)则为则为 tiRuddDDsD (5-41) tiRuddQQsQ (5-42) 34由图由图 5-9
31、 可将电压方程式可将电压方程式(5-41)和和式式(5-42)近似表示为近似表示为 TiRusscos)cos(ssfsrefDsDref (5-43) TiRusssin)sin(ssfsrefQsQref (5-44) 式中，式中，T为控制周期为控制周期，Drefu和和Qrefu为期望电压矢量为期望电压矢量ref su的电压分量值。的电压分量值。 期望电压矢量期望电压矢量ref su的幅值和相位角分别为的幅值和相位角分别为 2Qref2Drefref suuu (5-45) Qrefu refs refarcsinuu (5-46) 35由由u ref可确定与可确定与ref su相邻的两个
32、非零开关电压矢量相邻的两个非零开关电压矢量ksu和和)1( sku，可以通过对，可以通过对ksu和和)1( sku的调制来获取的调制来获取ref su，即有，即有 00b)1( sasref stttTkkuuuu (5-47) 式中，式中，at和和bt分别是分别是ksu和和) 1( sku的作用时间，的作用时间，0t是零电压矢量是零电压矢量0u的作用时间。的作用时间。 参照式参照式(4-66)式式(4-68)，可得，可得 )31(23QrefDrefcauuVTt (5-48) Qrefcb2uVTt (5-49) ba0ttTt (5-50) 36图图5-10 利用预期电压矢量和空间矢量调
33、制技术构成的直接转矩控制系统利用预期电压矢量和空间矢量调制技术构成的直接转矩控制系统 图图5-10是利用预期电压矢量和空间矢量调制技术构成的直接转矩控是利用预期电压矢量和空间矢量调制技术构成的直接转矩控制系统。制系统。 37图图 5-10 中， 用中， 用“电流模型电流模型”来估计定子磁链矢量来估计定子磁链矢量s的幅值的幅值|s|和相位和相位角角s，如，如图图 5-11 所示。所示。 图图 5-11 估计定子磁链的电流模型估计定子磁链的电流模型 模型中的模型中的r为实际检测值，为实际检测值，Di和和Qi是经坐标变换后得到的实际值。是经坐标变换后得到的实际值。 将将|s|和和s以及以及Di和和Q
34、i分别分别代入式代入式(5-43)和式和式(5-44)便可获取便可获取Drefu和和Qrefu。也可以采用电压模型。也可以采用电压模型来来估计估计|s|和和s。 图图 5-10 中，电磁转矩控制采用的不是滞环比较器而是转矩调节器，中，电磁转矩控制采用的不是滞环比较器而是转矩调节器，其输出是负载角其输出是负载角sf的增量的增量sf，显然这是个非线性调节器显然这是个非线性调节器。 385.2 最优控制与弱磁控制最优控制与弱磁控制 5 5. .2 2. .1 1 最最最最大大大大转转转转矩矩矩矩/ /电电电电流流流流比比比比控控控控制制制制 5 5. .2 2. .2 2 弱弱弱弱磁磁磁磁控控控控制
35、制制制 5.2.1 最大转矩最大转矩/电流比控制电流比控制 在转子磁场定向矢量控制中，将定子电流在转子磁场定向矢量控制中，将定子电流si的分量的分量di和和qi作为控作为控制制变变量，量，电动机运行中的各种最优控制是通过控制电动机运行中的各种最优控制是通过控制di和和qi而实现的。而实现的。在这一过程中，在这一过程中，定子磁链只是对定子磁链只是对di和和qi的控制结果，如图的控制结果，如图 5-3 所示，所示，定子磁链为定子磁链为 qqddfsjiLiL (5-51) 2qq2ddfs)()(iLiL (5-52) 39直接转矩控制直接直接转矩控制直接控制的控制的是定子磁链，是定子磁链，因因而
36、不能直接控制而不能直接控制di和和qi。但是，在。但是，在实际控制中，很多情况下要求能够实现某些最优控制，例如在恒转矩实际控制中，很多情况下要求能够实现某些最优控制，例如在恒转矩运行时运行时进行进行的最大转矩的最大转矩/电流比控制。此时再采用定子磁链幅值恒定的控制准则已无法满足这电流比控制。此时再采用定子磁链幅值恒定的控制准则已无法满足这种最优控制要求种最优控制要求，因为，因为定子磁链幅值的大小应由满足这种控制要求的定子电流定子磁链幅值的大小应由满足这种控制要求的定子电流di和和qi来确定，即由式来确定，即由式(5-52)来决定定子磁链的参考值来决定定子磁链的参考值*s。 对于面装式对于面装式
37、 PMSM，转矩方程为，转矩方程为 e0f qtp i (5-53) 若使单位定子电流产生的转矩最大，应控制若使单位定子电流产生的转矩最大，应控制0di，此时，此时*s应为应为 2qs2f*s)(iL (5-54) 考虑到式考虑到式(5-53)，可有，可有 2*22esfs0ftLp (5-55) 根据式根据式(5-55)，可由转矩参考值，可由转矩参考值*et确定定子磁链参考值确定定子磁链参考值*s。 40对于插入式和内装式对于插入式和内装式 PMSM， 因为存在凸极效应， 应根据转矩方程， 因为存在凸极效应， 应根据转矩方程(3-57)来确定满足定子电流最小控制时的来确定满足定子电流最小控制
38、时的di和和qi。由式。由式(3-78)和式和式(3-79)求出标么值求出标么值dni和和qni，再将其还原为实际值，由式，再将其还原为实际值，由式(5-52)计算出定子磁链的参考值计算出定子磁链的参考值*s。在此情况下，在此情况下，按照参考值按照参考值*et和和*s进行的直接转矩控制即可满足最大转矩进行的直接转矩控制即可满足最大转矩/电电流比的控制要求。流比的控制要求。 除了最大转矩除了最大转矩/电流比的最优控制外，还可以进行最小损耗等最优控制，电流比的最优控制外，还可以进行最小损耗等最优控制，同样可以通过对定子磁链矢量幅值的控制来实现。同样可以通过对定子磁链矢量幅值的控制来实现。 415.
39、2.2 弱磁控制弱磁控制 在基于转子磁场定向的矢量控制中， 可通过控制直轴电流在基于转子磁场定向的矢量控制中， 可通过控制直轴电流di来进行弱来进行弱磁，而在直接转矩控制中，必须通过控制定子磁链来磁，而在直接转矩控制中，必须通过控制定子磁链来实现实现弱磁。弱磁。 当电动机稳定运行时，在恒转矩运行区，在忽略定子电阻的情况下，当电动机稳定运行时，在恒转矩运行区，在忽略定子电阻的情况下，由定子电压方程由定子电压方程(5-12)，可得，可得 ssru (5-56) 如果电动机在运行中如果电动机在运行中*s保持不变， 显然在电压保持不变， 显然在电压极限极限maxsu约束下， 转速约束下， 转速r就会受
40、到就会受到限制限制，可达到的最大速度为，可达到的最大速度为rt，将其称为，将其称为转折速度转折速度。此刻，若。此刻，若想想扩展速度范围，扩展速度范围，能令能令rtr ，就就要要减小定子磁链减小定子磁链s，也就需要进行弱，也就需要进行弱磁控制。磁控制。 42弱磁控制时，可弱磁控制时，可令指令值令指令值*s与转速反比例地减小，即有与转速反比例地减小，即有 rmaxsf*sku (5-57) 式中，系数式中，系数1 fk。1 fk，说明弱磁正好是从转速达到转折速度，说明弱磁正好是从转速达到转折速度rt时时开始的；开始的；1 fk，说明实际弱磁点是提前开始的。一般情况下，应取，说明实际弱磁点是提前开始
41、的。一般情况下，应取1 fk，其原因如下，其原因如下所述所述。 在电压方程在电压方程(5-33)和和(5-34)中，中，Mu用于控制用于控制s的幅值，的幅值，Tu用于控制用于控制s的旋转速度，外加电压的旋转速度，外加电压TMsjuuu。若。若|s|为恒值，为恒值，Mu近乎为零，近乎为零，外加电压外加电压Tsuu。此时。此时 ssTsTiRu (5-58) 43随着转速的增加，随着转速的增加，Tu随之增大， 且逐步接近饱和值随之增大， 且逐步接近饱和值maxTu。maxTu近近乎乎为逆变器所能提供的为逆变器所能提供的极限极限电压电压maxsu。 由式由式(5-58)可以看出，可以看出，随着转子速
42、度增大，电压冗余越来越小，逆随着转子速度增大，电压冗余越来越小，逆变器对电流变器对电流Ti的调控能力逐步减弱，当的调控能力逐步减弱，当Tu等于等于maxTu时，逆变器就完全时，逆变器就完全丧失了调控能力。丧失了调控能力。 为使系统保持较高的动态响应能力，必须保留较大的电压冗余，令为使系统保持较高的动态响应能力，必须保留较大的电压冗余，令系数系数1 fk就可以达到这个目的。就可以达到这个目的。 进进而而还可使这个电压冗余是动态变化的，还可使这个电压冗余是动态变化的， 即即根据转矩指令来修正系根据转矩指令来修正系数数fk，例如转矩需要阶跃变化时，系数，例如转矩需要阶跃变化时，系数fk应降得更低。应
43、降得更低。 44令系数令系数1 fk的另一个原因是考虑到定子磁链估计的不准确性。 通的另一个原因是考虑到定子磁链估计的不准确性。 通常，定子磁链中占主导的是永磁励磁磁链常，定子磁链中占主导的是永磁励磁磁链f。 采用电流模型法估计采用电流模型法估计|s|，由于，由于f会随温度变化而变化，将使估会随温度变化而变化，将使估计结果发生偏差。如果采用电压模型法估计计结果发生偏差。如果采用电压模型法估计|s|，由于各种原因也会使，由于各种原因也会使估计结果产生偏差。估计结果产生偏差。 如果估计值偏高，则会提前开始弱磁；反之，如果估计值偏低，如果估计值偏高，则会提前开始弱磁；反之，如果估计值偏低，可能逆变器
44、已经饱和了，而弱磁控制还没有开始，适当选择较小的可能逆变器已经饱和了，而弱磁控制还没有开始，适当选择较小的fk，也也可以避免这种情况的发生。可以避免这种情况的发生。 455.3 直接转矩控制与矢量控制的联系与比较直接转矩控制与矢量控制的联系与比较 5 5. .3 3. .1 1 直直直直接接接接转转转转矩矩矩矩控控控控制制制制与与与与定定定定子子子子磁磁磁磁场场场场矢矢矢矢量量量量控控控控制制制制 5 5. .3 3. .2 2 直直直直接接接接转转转转矩矩矩矩控控控控制制制制与与与与转转转转子子子子磁磁磁磁场场场场矢矢矢矢量量量量控控控控制制制制 5.3.1 直接转矩控制与定子磁场矢量控制直
45、接转矩控制与定子磁场矢量控制 图图5-12是 面 装 式是 面 装 式PMSM 以定子磁场定向的以定子磁场定向的矢量图。此图与矢量图。此图与 PMSM 定定子磁场定向矢量图子磁场定向矢量图 3-33 相相对应。对应。 对于面装式对于面装式 PMSM， 采， 采用直接转矩控制时，转矩方用直接转矩控制时，转矩方程程为为 e0fssfs1sintpL (5-59) 图图 5-12 面装式面装式 PMSM 以定子磁场定向矢量图以定子磁场定向矢量图 46图图 5-12 中，因为中，因为 MT 轴系沿定子磁场定向，满足轴系沿定子磁场定向，满足0T的约束，的约束，故故有有 sffTssiniL (5-60)
46、 将将式式(5-60)代入式代入式(5-59)，可得，可得 e0fssf0s Ts1sintppiL (5-61) 式式(5-61)即为即为面装式面装式 PMSM 基于定子磁场基于定子磁场定向定向的转矩的转矩控制控制方程。方程。由此可见由此可见，这两种控制方式具有内在联系，其这两种控制方式具有内在联系，其控制结果是一样的。控制结果是一样的。 由式由式(3-131)和式和式(3-132)，已知沿定子磁场定向，已知沿定子磁场定向 MT 轴系的定子电压轴系的定子电压分分量量方程为方程为 tiRuddsMsM (5-62) ssTsTiRu (3-63) 式中，式中，Ms。 47若忽略定子电阻若忽略定
47、子电阻sR的影响， 式的影响， 式(5-62)和式和式(5-63)便便与与式式(5-11)和式和式(5-12)具有相同的形式。具有相同的形式。对比之下对比之下，Mu等同等同于径向电压于径向电压sru，Tu等同等同于于切切向电压向电压snu。亦即，无论定子磁场矢量控制，还是直接转矩控制，对电磁转矩的。亦即，无论定子磁场矢量控制，还是直接转矩控制，对电磁转矩的控制都是在沿定向磁场定向控制都是在沿定向磁场定向 MT 轴系内完成的， 依据的是同一组电压轴系内完成的， 依据的是同一组电压分分量量方程，从这一角度方程，从这一角度说，直接转矩控制与基于定子磁场定向的转矩控制没有说，直接转矩控制与基于定子磁场
48、定向的转矩控制没有实质实质的差别的差别，或者说直接转矩控制其实质是基于定子磁场定向的转矩控，或者说直接转矩控制其实质是基于定子磁场定向的转矩控制制。 但是，两者在控制方式上还是存在很大差异。如式但是，两者在控制方式上还是存在很大差异。如式(5-59)所示，直接所示，直接转矩控制选择定子磁链转矩控制选择定子磁链s和负载角和负载角sf为控制变量为控制变量。 48由图由图 5-12，可得，可得 sffMsscosiL (5-64) 由式由式(5-64)和式和式(5-62)，可得，可得 Msffsssscos11dtduTT (5-65) 由式由式(5-60)和式和式(5-63)，可得，可得 Tsff
49、ssssin1uT (5-66) 由式由式(5-66)和式和式(5-59)，可得，可得 2e0sss Ts1()tpuR (5-67) 49由由式式(5-65)式式(5-67)可在定子磁场定向可在定子磁场定向 MT 轴系中构成直接转矩控轴系中构成直接转矩控制系统。制系统。 且且式式(5-65)式式(5-67)与式与式(4-87)式式(4-89)具有相同的形式，这说明具有相同的形式，这说明在直接转矩控制中，在直接转矩控制中，PMSM 同三相感应电动机一样，同三相感应电动机一样，也也选择选择定子磁链定子磁链s和和负载角负载角sf为控制变量，依然将为控制变量，依然将Mu和和Tu作为作为控制电压，控制
50、方程控制电压，控制方程同样同样是一组非线性方程。是一组非线性方程。 式式(5-65)和式和式(5-66)间存在耦合，这意味着并不能像滞环比较控制所间存在耦合，这意味着并不能像滞环比较控制所期望的那样，期望的那样，能能由由Mu和和Tu各各自自独立独立地地控制控制s和和sf。 式式(5-65)表明，在表明，在Mu作用下，作用下，s的响应是个一阶惯性环节，的响应是个一阶惯性环节，s的滞的滞后决定于定子时间常数后决定于定子时间常数。 式式(5-67)表明，转矩控制是非线性的，且磁链控制和转矩控制间存在表明，转矩控制是非线性的，且磁链控制和转矩控制间存在耦合耦合；在转子速度很低时，如果控制电压过大，会使
