張 卓，李 林，杜 波

（1.長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012；2.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院，長(zhǎng)春130031）

0 引言

隨著電機(jī)的廣泛應(yīng)用，研究者們慢慢注意到控制電機(jī)時(shí)候的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，那就是如何控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)候的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，首先過(guò)大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)降低電機(jī)的使用壽命，其次，脈動(dòng)帶來(lái)的噪聲也令人難以容忍。近年來(lái)，科研工作者們提出了用直接轉(zhuǎn)矩控制的方法來(lái)抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而此種方法的關(guān)鍵建立直接轉(zhuǎn)矩控制的開(kāi)關(guān)表。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

本文以開(kāi)關(guān)磁阻為例來(lái)說(shuō)明開(kāi)關(guān)表的建立方法。在理想情況下電機(jī)的繞組電流在控制器的一個(gè)控制周期內(nèi)恒值不變，電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩T為

電機(jī)具有高度的磁飽和性，它的磁場(chǎng)儲(chǔ)能Wf不會(huì)隨著轉(zhuǎn)子位置θ的改變而改變，所以非常小，進(jìn)而此項(xiàng)可以忽略掉。式（1）變?yōu)門(mén) ≈同時(shí)，可以看出它的符號(hào)由的符號(hào)決定?？梢苑治龀鰰r(shí)，定子磁鏈?zhǔn)浅坝讦鹊?，它瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩T＞0，同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩增加；時(shí)，上述結(jié)果正好相反。

采用空間矢量的分析方法，通過(guò)定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)利用PWM信號(hào)和定子磁場(chǎng)定向，直接對(duì)功率變換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。

1）電機(jī)的定子磁通向量要保持一個(gè)恒定的幅值，使定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡為近似圓形或多邊形。電機(jī)定子磁鏈的改變會(huì)導(dǎo)致同方向電壓矢量的改變。而且電壓的大小也會(huì)按照比例變化，它是通過(guò)選取適當(dāng)?shù)碾妷合蛄縼?lái)達(dá)到定子磁鏈的運(yùn)行軌跡為近似圓形的目的。

2）通過(guò)調(diào)整定子磁鏈向量的減速和加速來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。因?yàn)槎ㄗ哟沛溝蛄康臏p速和加速?zèng)Q定了轉(zhuǎn)矩的減小或者增加，我們改變定子磁鏈向量的減速或加速就可以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的效果。

2 電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制開(kāi)關(guān)表的建立

首先，以三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為例來(lái)分析。此種電機(jī)每相繞組上的電壓有3種可能的狀態(tài)，由圖1可以清晰地看出具體的3種狀態(tài)。

第1種狀態(tài)我們稱(chēng)之為“1”狀態(tài)：T1、T2一起導(dǎo)通，繞組兩端承受正向電壓。

第2種狀態(tài)我們稱(chēng)之為“0”狀態(tài)：T1關(guān)斷，T2導(dǎo)通，如果原來(lái)繞組上有電流，回路只有相繞組的電阻，這樣使得電流慢慢變小，產(chǎn)生零電壓環(huán)。

圖1 電機(jī)電壓矢量的3種狀態(tài)

第3種狀態(tài)我們稱(chēng)之為“－1”狀態(tài)：T1、T2一起斷開(kāi)，繞組兩端電壓為負(fù)值，繞組的電流很快變成零。

由于三相電機(jī)有三相繞組，而每項(xiàng)繞組上還有3種狀態(tài)，所以電壓矢量總共有27種組合。進(jìn)而根據(jù)電機(jī)的一些實(shí)際運(yùn)行情況，比如有的組合會(huì)降低電機(jī)的工作效率等等。最終決定將（1，0，－1），（0，－1， 1），（0， 1， －1），（－1， 0， 1），（－1，1， 0）， （1，－1， 0）總計(jì)6組向量作為三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電壓矢量。然后將這6組向量之間的角平分線作為分隔線，最終將定子坐標(biāo)空間切割成等分的6小份，如圖2。對(duì)于四相電機(jī)我們同樣可以按照這個(gè)方法進(jìn)行處理，最后結(jié)果如圖3所示。

圖2 三相電機(jī)空間電壓矢量圖

首先以三相電機(jī)為例，把它的定子磁鏈?zhǔn)噶孔儞Q到一個(gè)正交的α－β坐標(biāo)系上。這樣做的目的是三相電機(jī)獨(dú)立的三相磁鏈?zhǔn)噶靠梢院铣蔀橐粋€(gè)定子磁鏈?zhǔn)噶俊?/p>

根據(jù)圖4可知：

磁鏈?zhǔn)噶拷呛痛沛湻档墓饺缦拢?/p>

圖3 四相電機(jī)空間電壓矢量圖

圖4 三相電機(jī)的磁鏈坐標(biāo)變換圖

根據(jù)定子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置，可以判斷出選擇電壓矢量的具體形式，利用式（3）計(jì)算出α軸與磁鏈?zhǔn)噶康膴A角θ，從而可以知道磁鏈在定子坐標(biāo)系中處于哪個(gè)區(qū)間中。舉例說(shuō)明一下，如果θ∈ ［0，π／3］，這時(shí)磁鏈位于的區(qū)間為 N ＝1；θ∈ ［π／3，2π／3］，磁鏈位于的區(qū)間為N ＝2；以此類(lèi)推，θ∈［－π／3，0］，磁鏈位于的區(qū)間為N ＝6。

根據(jù)前面的分析，可以得到一個(gè)開(kāi)關(guān)表，見(jiàn)表1，此表適合于三相電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制。同理也可以得到一個(gè)開(kāi)關(guān)表，見(jiàn)表2，此表適合于四相電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制。

3 仿真波形圖及結(jié)果分析

最后本文通過(guò)仿真軟件Matlab－Simulink進(jìn)行了仿真，證明了本文所論述的開(kāi)關(guān)表的正確性，首先給出直接轉(zhuǎn)矩控制的原理圖，如圖5所示。

表1 三相電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制開(kāi)關(guān)表

表2 四相電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制開(kāi)關(guān)

圖5 直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖

以四相電機(jī)為例進(jìn)行仿真，四相電機(jī)模型仿真參數(shù)為：給定磁鏈為0.45Wb，額定功率為60kW，給定轉(zhuǎn)矩為12N·m，額定電壓為220V，對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行空載仿真實(shí)驗(yàn)，具體的仿真模型如圖6所示。

圖6 電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型

本文分別給出電流斬波控制和直接轉(zhuǎn)矩控制2種不同控制方式下，磁鏈、電流和轉(zhuǎn)矩的波形圖，如圖7～8所示。

圖8 直接轉(zhuǎn)矩控制下的磁鏈、電流和轉(zhuǎn)矩波形圖

通過(guò)2個(gè)圖的比較可以看出，電流斬波控制時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅度特別大，跨度達(dá)到100N·m，波動(dòng)達(dá)到了70%（在20～120N·m之間來(lái)回波動(dòng)）。轉(zhuǎn)矩波形中小的脈動(dòng)是電流斬波帶來(lái)的，大的脈動(dòng)則是換相造成的。雖然可以通過(guò)減小電流滯環(huán)的寬度來(lái)減小電流斬波造成的脈動(dòng)，但是對(duì)換相造成的脈動(dòng)則無(wú)能為力。直接轉(zhuǎn)矩控制方式時(shí)，脈動(dòng)只有3N·m，脈動(dòng)大約在10%左右（轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)在11N·m到14N·m之間）?？梢钥闯觯苯愚D(zhuǎn)矩控制可以抑制電流斬波控制造成的脈動(dòng)，而且還能明顯地降低換相期間的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，通過(guò)對(duì)比分析，證明了本文所提出的開(kāi)關(guān)表建立方式的正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

為了研究直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的開(kāi)關(guān)表，本文經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治龊屯茖?dǎo)后，分別得出了三相和四相電機(jī)開(kāi)關(guān)表的建立方法，同時(shí)搭建了電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型，同時(shí)對(duì)電機(jī)的電流斬波控制方式也進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制方法，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到了很大的抑制，同時(shí)，換相期間的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也得到了明顯的抑制，證明了本文所提出的建立開(kāi)關(guān)表方法的正確性。

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［2］陳哲明，潘再平.基于DSP的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制方式研究［J］.中小型電機(jī)，2004（8）：44－47.

［3］王勉華.直接調(diào)速系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制［J］.電氣傳動(dòng)，1992（5）：22－26.

［4］張卓.SRM滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2008.