1、 附录 3 中文译文 永磁同步电动机的矢量控制 综述 摘要 在高性能伺服应用中，最理想的方法莫过于不使用运动状态传感器的快速精确的转矩控制。结合直接转矩控制器的永磁同步电动机使用计划为实现这一目标提供了许多机会。最近，已经有一些作者提出了可能实现的永磁同步电动机的直接转矩控制。本文给出了一些概述，解释了永磁同步电动机的基本原则。讨论了内嵌式和面贴式的拓扑结构和算法描述。在这些控制计划需要估计定子磁链和初始转子位置。本文也讨论了实现这些估计的技术。本文的主要目标是对已经取得的成果给出一个大纲，同时为进一步研究确定兴趣点。 1 绪论 在各种工业应用中，如工业机器 人和机床，永磁同步电动机驱动器已经
2、取代了传统的直流电机和异步电机驱动器。永磁同步电动机的优点有高转矩/惯量比，高效率，高功率密度和高可靠性。因为这些优势，永磁同步电动机确实在需要快速和精确转矩响应的高性能伺服驱动器中有很好的应用。在永磁同步电动机驱动器中，电磁转矩通常是在一个固定在转子上的坐标系上来间接控制定子电流元件。这一领域的方向创造需要一个位置传感器，从而降低了驱动器的可靠性同时增加了成本。 有人提议，异步电动机直接转矩控制作为一种替代控制方案在过去二十年非常流行。直接转矩控制的异步电机具有作为计算固 定参考系的内在的运动状态传感器。此外，与磁场定向控制相比，采用无电流控制器和电机参数以外的定子电阻的直接转矩控制的转矩响
3、应更快，参数依赖更低。 在 90 年代末，出现了一种把直接转矩控制和永磁同步电动机的优势结合的理念应用到充满生机的驱动器中的文章。在过去十年中，一些作者已经提出了将直接转矩控制应用到永磁同步电动机的方法。 这篇文章给出了在这个领域中的研究综述。第三部分给出了内嵌式和面贴式的永磁同步电动机的可能实施方法。第四节和第五节讨论了实施方法中的问题。第六部分总结了进一步研究的发展方向。 2 永磁同步电 动机直接转矩控制的原理 忽略脉动转矩，永磁同步电动机的稳态电磁转矩 T 可以写成 : 其中 表示负载角，如图 1 所示，负载角的定义是指定子磁链矢量 s s和永磁磁链矢量 f 之间的夹角。 pN 代表极对
4、数。方程 1 适用于面贴式永磁同步电动机，它的直轴定子电感 dL 小于交轴定子电感 qL ，对于永磁同步电 动机， dL 等于 qL ，方程 1 变为： 从方程 1 和 2 可以得出，在定子磁链一定的情况下，转矩由负载角决定。如图 1 所示，一个两电平三相电压源逆变器可以产生 8 个电压矢量，六个有效矢量 61 VV 和两个零矢量 70,VV 。定子磁通矢量可由下式计算： 在上式中 sR 代表定子电阻， sV 和 sI 分别代表定子电压矢量和定子电流矢量。当定子电阻 sR 被忽略时，定子磁链矢量则变成电压矢量 sV 的一个开关时间 sT 六个有效的电压空间矢量都有一个径向和切向的定子磁链矢量。
5、从（ 4）中可以看出，径向电压矢量决定定子磁链的幅值，而切向电压矢量决定电子磁链矢量的旋转速度和负载角。 这样，定子磁链和转矩可以同时控制逆变器。最适合的电压矢量将定子磁链矢量和转矩的给定值与估计值之间的瞬时误差最小化。因此，尽量减少控制器错误是必要的，同时还要估计定子磁链和转矩。在绪论第三节对不同类型的控制器进行了讨论。（ 3）式可以用来估计定子磁链。然而，不像，在永磁同步电动机中定子磁通矢量的初始值不同于零，而是取决于转子的位置。因此，转子初始位置需要测量或估计。 在评论的第三部分讨论了不同类型的控制器。目的是可以使用定子磁链估计。然而，不像，在永磁同步电动机中定子磁链矢量的初始值 st
6、等于 0 而是决定于转子位置。所以，初始位置检测是必需测量和估计的。 3 可能实现方法 文献中有许多不同的解决方法。第一次提出了永磁同步电动机直接转矩控制的是文献【 2】然而，提出的方法不能算是直接转矩控制，而它事实上是电流控制。正如【 4】中所讲的一样，直接转矩方法除了可以用来控制电磁转矩以外，还可以控制直轴电流和无功而不是定子磁链。在下面的这些方法没有被考虑，因为这样所有的方法都是直接转矩和磁通控制。在文献【 5】中提出了一种很好的直接转矩控制的概述，但是研究的是基于异步电机的直接转矩控制。 这 一部分概括了永磁同步电动机直接转矩控制的不同实施方法。方法根据电压矢量分布而划分，初始定子磁链
7、估计和位置传感器的利用上也是根据电压矢量分布而区分。讨论的一些方法中需要转子位置 ，这样就丧失了无传感器运动状态控制的优点。 A 开关表直接转矩控制 基本的开关表直接转矩控制：原来的直接转矩控制方法有一个滞后的定子磁链和转矩。图 2 给出了传统的方法，数值 *T 和 S 表示给定值，虚线显 示的是可选择编码器。定子磁链的瞬时偏差 e 有两个可以选择的值（ 1 和 -1），而瞬时转矩偏差 Te 有三个可以选择值（ -1， 0 和 1）。此外， 平面被分为六个扇区。开关表的输入由偏差值 e 和 Te 以及带有定子磁通矢量的扇区号。开关表的输出是八个可能的电压矢量。文献【 6】中已经在永磁同步电动机
8、中实现了这个方法，与文献【 1】中在异步电机中采用的开关表是一样的。另外，初始磁通估计可以通过一阶滤波器来解决。由于一阶滤波器的稳态输出与初始条件无关，这将产生良好的结果，但是不是在驱动器的启动阶段。 文献【 3】也提出了开关直接转矩控制的方法，但没有用零电压矢量来控制电机。这个基本上降低了转矩偏差到一个正常的迟滞比较。（ 3）式来估计磁通，假定初始磁通位置已知。这个方法适用于永磁同步电动机。 文献【 7】和【 8】提出的减少开关表的方法适用于永磁同步电动机，而初始转子位置从低分辨率编码器中得到。通过改变定子磁链给定值来增加单位安培下的转矩或减弱驱动器的操作是可实现的。最近的文献已经进一步给出
9、了使用这一些参考磁通的生成方法。在文献【 9】讨论了基于开关表直接转矩控制的单位磁通下的最大转矩方法。文献【 10】提出了在开关表直接转矩控制下的优化效率方法，其中定子磁链产生最大效率。在所有这些参考磁通生成方法中都需要离线计算来查找给定定子磁链。 2）直接转矩控制的一个主要的缺点是纹波转矩和定子磁链。纹波可以通过使用更多不同的电压 矢量来减弱。当直接转矩控制时，只有限定数量的每扇区的电压矢量，开关表选择是最合适的。然而径向和切向的矢量和理想的组成一样是不可能的。一种更适合两个组成部分带有增加更多电压矢量和增加分区的方法是可实现的。在文献【 11】中，提出了一种通过利用基于三电平的 24 个电
10、压矢量的空间矢量调制方法。构造一个能量化转矩和通量错误并提供 72 个不同的电压矢量图的开关状态表。这样就可以实现较低的转矩脉动。在文献【 11】中提出了 SVM 在驱动操作的整个过程中产生更多不同的电压矢量。不过，在某些操作条件下也可能使用混合算法产生更多 的电压矢量。文献【 12】提出了一种在确保永磁同步电动机启动阶段产生快速转矩的方法。在启动阶段， SVM 用来产生最佳的电压矢量，这个电压矢量能产生最快的转矩。然而，算法依赖于转子位置，要从编码器中得 到转子初始位置，同时将转矩变化中的转子位置看成常量。一旦达到转矩给定值，就会使用包含电压矢量的开关表，而且也不在需要编码器了。 多级逆变器使得电压矢量能更好地控制磁通和转矩，从而减少了纹波，实现更小的开关频率。缺点是开关电源的需要增加了系统的成本、复杂性和开关损耗。在文献【 13】中这样的直接转矩控制用在异步电机上 ，但是文献中没有提出有关适合永磁同步电动机的方法。
