永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展現(xiàn)狀

程松遼，陸永耕，袁紅杰，賈竹青

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永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展現(xiàn)狀

程松遼，陸永耕，袁紅杰，賈竹青

（上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306）

簡要介紹了永磁同步電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，簡述了發(fā)展永磁同步電機(jī)控制技術(shù)的重要性和必要性，同時闡述了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的優(yōu)缺點(diǎn)——優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡單、易于實(shí)施；缺點(diǎn)是存在轉(zhuǎn)矩脈動大等問題。針對控制中存在的問題，國內(nèi)外學(xué)者都提出了改進(jìn)策略，現(xiàn)對此進(jìn)行簡要的總結(jié)。

永磁同步電機(jī)；DTC；轉(zhuǎn)矩脈動；零矢量

據(jù)統(tǒng)計，驅(qū)動各類電機(jī)的電力消耗在每年的能源消耗中占據(jù)了不小的份額，因此，電機(jī)系統(tǒng)的研究吸引了眾多學(xué)者。而永磁同步電機(jī)由于其出色的運(yùn)行特性被廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)的電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域。

永磁同步電機(jī)不僅在日常生活中得到廣泛應(yīng)用，同時還在高端科技領(lǐng)域得到應(yīng)用。近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高性能的永磁同步電機(jī)被生產(chǎn)出，永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)了無刷化運(yùn)行，同時異步電動機(jī)具備的優(yōu)點(diǎn)它都具備，通過高性能的控制方式使其輸出的轉(zhuǎn)矩特性足以媲美直流電動機(jī)。我國具有豐富的稀土資源，有著豐富的永磁同步電機(jī)原料生產(chǎn)，所以研究永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)也可以推動我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制方式簡介

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（Direct Torque Control）簡稱“DTC”，是一種可以媲美矢量控制的新興控制技術(shù)，它的提出對推動電機(jī)發(fā)展具有無可替代的意義。在直接轉(zhuǎn)矩被提出的時候，它的應(yīng)用對象就是感應(yīng)電機(jī)，隨后國內(nèi)外學(xué)者把這項技術(shù)推廣到永磁同步電機(jī)上。直接轉(zhuǎn)矩控制相比于矢量控制的優(yōu)點(diǎn)是直接對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，系統(tǒng)控制性能良好，但是同時也存在轉(zhuǎn)矩脈動大等缺點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對此作出了一些改進(jìn)研究。

2 國外研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[1]運(yùn)用電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型并結(jié)合輸入轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩之間的誤差得到在一個控制周期內(nèi)非零矢量和零矢量各自的作用時間，從而能夠達(dá)到明顯的抑制轉(zhuǎn)矩脈動，優(yōu)化系統(tǒng)的控制性能；文獻(xiàn)[2]在DTC中引入了空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)（Space Vector Modulation，SVM），該技術(shù)的關(guān)鍵之處就是可以由相鄰的兩個非零矢量和一個零矢量合成任意的電壓矢量，達(dá)到精確控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈的效果，從而顯著地降低轉(zhuǎn)矩脈動和磁鏈脈動；文獻(xiàn)[3]用滑模變結(jié)構(gòu)控制取代磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，明顯降低了轉(zhuǎn)矩脈動和磁鏈脈動。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[4]在直接轉(zhuǎn)矩控制中引入了零矢量，用仿真和實(shí)驗進(jìn)行了分析，零矢量的作用結(jié)果受到轉(zhuǎn)速的影響。在其他參數(shù)不變時，零矢量抑制轉(zhuǎn)矩脈動的效果隨著轉(zhuǎn)速增加而提升，高速時，零矢量實(shí)際起到了減小轉(zhuǎn)矩的作用。文獻(xiàn)[5]從零電壓矢量的作用原理入手，深入分析了零矢量在永磁同步電機(jī)DTC系統(tǒng)中的作用以及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對轉(zhuǎn)矩波動的影響。通過采用滯環(huán)寬度優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的轉(zhuǎn)矩波動小。文獻(xiàn)[6]將滑模變結(jié)構(gòu)引入到永磁同步電機(jī)DTC中，從而將滑模變結(jié)構(gòu)對外界的擾動不敏感、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快的優(yōu)勢引入控制系統(tǒng)中。同時采用變指數(shù)趨近律，可以在最大程度上消除抖振。為了進(jìn)一步削弱到達(dá)原點(diǎn)前狀態(tài)變量運(yùn)動軌跡的抖振，對符號函數(shù)采用平滑處理，這種方法大幅度減小了轉(zhuǎn)矩脈動，而且保證了開關(guān)頻率不變，降低了轉(zhuǎn)矩脈動和磁鏈脈動。

4 永磁同步電機(jī)在實(shí)際生活中的應(yīng)用

4.1 永磁同步電機(jī)在空調(diào)中的應(yīng)用

自從空調(diào)被發(fā)明以來，它在人們的日常生活中起到了不可替代的作用，而變頻空調(diào)就是近些年來空調(diào)的發(fā)展趨勢之一。近些年來，各大空調(diào)廠商都對變頻空調(diào)的研究投入了巨額資金，促進(jìn)了變頻空調(diào)的實(shí)用化。變頻空調(diào)的實(shí)現(xiàn)，不僅提高了工作性能，還明顯降低了能耗，消除了噪聲，同時使用壽命有了明顯的延長。

變頻空調(diào)（Variable Frequency Air Conditioner）的出現(xiàn)意味著空調(diào)的發(fā)展進(jìn)入了一個嶄新的階段。傳統(tǒng)定頻空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率不變，無論是在什么工況下，它都是定頻運(yùn)行，能耗高，噪聲大。而變頻空調(diào)能夠隨著設(shè)置溫度和環(huán)境溫度差值大小的變化而變化。壓縮機(jī)是空調(diào)的主要功能部件，同時它也是空調(diào)系統(tǒng)中耗能最多的一部分。在傳統(tǒng)變頻空調(diào)出現(xiàn)的初期，各大廠商生產(chǎn)出的變頻空調(diào)都是采用三相異步電機(jī)作為壓縮機(jī)，它的效率不高。而使用永磁同步電機(jī)的效率要明顯高于三相異步電機(jī)。

如今，環(huán)境問題成為了全世界關(guān)心的問題，各國都采取了不同的措施來改善環(huán)境，而節(jié)能是從源頭上減少污染的排放。由于生活水平的提高，空調(diào)在大多數(shù)家庭都得到了普及，而空調(diào)在家庭中的耗電量占到了不小的比例，因此各空調(diào)廠商都以降低能耗作為產(chǎn)品的亮點(diǎn)，而壓縮機(jī)性能的提升則是重中之重。在這樣的情況下，各大廠商都選擇將具有高效率、壽命長、噪聲低的永磁同步電機(jī)應(yīng)用于壓縮機(jī)上。

4.2 永磁同步電機(jī)在電動汽車上的應(yīng)用

傳統(tǒng)的汽車以化石燃料進(jìn)行驅(qū)動，它對環(huán)境污染大，而電動汽車是以電力進(jìn)行驅(qū)動，它對環(huán)境污染小，甚至無污染，還可以在一定程度上緩解化石能源的緊張局面。電動汽車運(yùn)行時產(chǎn)生的噪聲低，運(yùn)行性能良好，幾乎無污染，因此受到世界各國的歡迎。

像使用石油的汽車一樣，電動汽車的電池容量起到了汽車油箱的作用，電池的容量決定了電動汽車的續(xù)航能力。而目前電池的容量較小，短期內(nèi)很難有跨越式的提升，所以在電池容量一定的情況下，通過提高驅(qū)動系統(tǒng)中的電機(jī)工作效率來提高電動汽車的續(xù)航能力。目前，應(yīng)用于電動汽車中的電機(jī)主要有直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)。

電動汽車在使用直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)時都存在工作效率低、過載能力低等問題，而使用永磁同步電機(jī)能提高電動汽車的工作效率，并且維護(hù)簡單、節(jié)能高效，電動汽車運(yùn)行時動態(tài)性能良好，因此永磁同步電機(jī)在電動汽車上的使用引起了各大汽車廠商的關(guān)注。永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)便于控制，同時在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)與齒輪箱一體化，因此永磁同步電動機(jī)被列為電動汽車的發(fā)展方向之一。

5 結(jié)束語

經(jīng)過多年的發(fā)展，永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制不只是在理論方面有了更深入、更細(xì)致的研究，同時也推進(jìn)了永磁同步電機(jī)DTC進(jìn)入實(shí)用階段，但是在實(shí)際應(yīng)用中還存在轉(zhuǎn)矩脈動大等問題。因此，研究直接轉(zhuǎn)矩控制減少輸出轉(zhuǎn)矩脈動，抑制轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，改善直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)性能，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

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［6］童克文，張興，張昱等.基于新型趨近律的永磁同步電動機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)控制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2008（21）：102-106.

2095－6835（2018）18－0070－02

TM341

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.070

程松遼（1994—），男，研究方向為電機(jī)與智能電器。

〔編輯：劉曉芳〕