在永磁同步电机直接转矩控制系统中的模拟研究外文翻译资料

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本科生毕业论文（设计）外文翻译

题目：在永磁同步电机直接转矩控制系统中的模拟研究

在永磁同步电机直接转矩控制系统中的模拟研究

Chen ming, Gao Ranying, Song Rongming

College of Electrical amp; Electric Engineering Harbin University of Science and Technology Harbin, China

xingyue6096@126.com; xingkong96@foxmail.com

摘要：采用永磁同步电机（PMSM）的直接转矩控制（DTC）方案以便于提高永磁同步电机的动态性能。在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，基于Matlab/ Simulink建立这个系统的仿真模型，来进行模型的广泛研究。大量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

1、引言

在过去的几年里永磁同步电机（PMSM）由于它的特性在越来越多的广泛应用中被熟悉，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。它放弃了矢量解耦思想控制的方法，而使用该定子磁链直接控制磁链和电动机的转矩。因此，该系统具有非常快的动态反应^[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，这会使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策略将会用来仿真。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]。

2、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同时包括由定子电流产生的和永磁转子产生的，这由定子和转子的参考系之间的位置角度决定。因此定子磁链的表达式：

（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的表达式：

（2）

所以

（3）

依据坐标变换公式，将静止坐标转换为旋转坐标的变换如下：

（4）

把公式（1）和公式（3）代入到公式（4），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的方向

同步旋转轴，直流轴方向是定子磁极的方向

直流轴和d轴之间的角度

图1 永磁同步电机的矢量图

电机电磁转矩的表达式：

（10）

其中，P是电动机的极对数。

电动机磁链和电流可以被分解成轴分量：

（11）

电机电磁转矩的表达式：

（12）

根据式（4）至式（10） ，

（13）

可以得出

（14）

根据Park变换，

（15）

转矩公式可以通过式（15）带入式（14）可得：

（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。

3、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可以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Clack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，通过和估算、和。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，外环PI控制器输出转矩环的给定值。然后采取转矩偏差作为输入，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

本文基于MATLAB7.0的SimPowerSystem模块库。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。如图3所示为系统仿真模型。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Clark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。、即图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）确定的，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： Park逆变换模块如图8所示 。

图8 Park逆变换模块的结构

（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路径：Sim Power Systems/Extra Library/Discrete Control Blocks

4、仿真结果和波形分析

在本文中，永磁同步电动机的参数为：，永磁体磁链，逆变器的开关频率是10KHz 。负载转矩是8N·m，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8.5N·m突变到13N·m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8.5N·m减少到5N·m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 。

电机启动的时候，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很多，定子磁链的瞬时变化率比转子磁链的瞬时变化率大。电动机启动时转矩脉动很大，因为在开始时，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。

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

5、 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。综上，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] Li Ye and Yan Xinpin, The perspective and status of PMSM electrical servo system, Micromotors Servo Technique, 2001, Vol.4, pp.30-33.

[2] Lixin Tang, Limin Zhong, A novel Direct torque control for interior permanent magnet synchronous machine drive with low ripple in toque and flux, IEEE Transaction on Industry Applications, 2003, Vol 39, NO.6, pp.1748-1756.

[3] Habetler T.G. and Divan D.M., Control strategies for direct torque control using discrete pulse modulation, IEEE Transactions on Industry Applications, 1991, Vol 39, NO.6, pp.893-901.

[4] Su Dan, High performance direct torque control for permanent magnet synchronous motors, PhD thesis, Zhejiang University, 2004, pp.129-138.

[5] D. Sun, F. Weizhong, H. Yikang, Study on the Direct Torque Control of Permanent Magnet Synchronous Mot

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