无速度传感器永磁同步电机直接转矩控制系统仿真研究

使得 给定 的电压矢 量不恰 当， 导致 电机在启 动时 波动较大 ． 即是 图 ５ 真 波形 出现 振荡 的原 因． 而使 也 仿 然
用基 于转子 磁链矢 量角 的速 度估计 方法 ， 电机 转矩 角的变化 是被考 虑在动 态过程 中的 ， 反馈信 号的误羞 其 及转矩 滞 回比较器 和磁链滞 回比较器 的输 出的相对误 差都 减小 很 多 ， 以基 于转 子磁 链 矢量 角 的速 度反 所
磁链 矢量 角速度 估计反馈 的仿真 结果． 据上面 的仿真结果 得知 ： 于定 子磁链矢 量角 的速度反馈 的直接 根 基
转矩控制 系统 ， 由于在 电机启动 时用定子磁 链 的速度来代 替转子 的速度 ， 此时永磁 同步 电机 的转矩 角 和定 子磁链 矢量 角脉动 较大 ， 反馈信 号出现误 差 ， 转矩 滞 回比较器 和磁链 滞 回 比较 器 的输 出也产 生误 差 ， 这些
图 ３ 永 磁 同 步 电 机 无 传 感 器 ＤＴＣ 系 统 的 仿 真 结 构 图
４ １ 无 速 度 传 感 器 的 仿 真 结 果 ．
为验证 上面介 绍 的两 种速度估 算方法 的可行性 与准确 性 ， 了关 于在 直 接转 矩 系统 中带 速度 传 感器 做
和基于定 子 、 转子 磁链矢 量角速度 估计 的仿 真 ， 度估算信 号 只作 为速度 观察 器 ， 速 不作 为 反馈 信 号用 来控
一 ０ １ ５Ｗ ｂ 定 子 电阻 Ｒ ． ７ ， 一 ２ ８ ５Ｑ， 动 惯 量 为 ０ ０ １ ｇ・ ． 统 给 定 定 子 磁 链 幅 值 ． ７ 转 ． ０ ｋ ｍ 系 一 ｏ６ ．
Ｗｂ 给定直 流 电压 Ｕ ， ｄ一 ３ ０ 永 磁 同步电动机 的无 传感器 ＤＴ ８ Ｖ． Ｃ系统 仿真 图如 图 ３ 示． 所
量 角 的速 度 估 计 算 法较 能使 电机 的 在 动态 过 程 中稳 定 运 行 ， 具 有 良好 的精 度 ． 真 结 果 也 验 证 了文 中采 用 并 仿
的转 速 观 测 算 法 的 正 确性 和 可 行 性 ． 关 键 词 ： 磁 同步 电 机 ； 速 度传 感 器 控 制 ； 接 转 矩 控 制 永 无 直 中 图分 类 号 ： ＴＭ３ １ ５ 文献 标 识 码 ： Ａ
现， 其结 构简单 ， 它具 有很高 的动态性 能 和较 强鲁棒 性 来适 应 电 机 的各种 参 数 变化 ， 由于 Ｄ 又 ＴＣ不 需要 精确 的转子位 置信息 ， 定子磁链 可 以直 接控制 使得弱 磁控 制变得 比较 容易． 此 ， 用 直接 转矩 控 制方式 因 选
来控制 永磁 同步 电动 机非 常合适 ． 文采Ｙ ９ 度传 感器 Ｄ 本 １￣ ］ ＴＣ方法 来控 制永 磁 同步 电机 ， 而 克 服使用 从 速度传 感器给 系统带来 缺 陷 ， 如使 系统 的成本 大大提 高 、 速精 度不 高 、 测 电机 体 积增 大 给维 护带 来 一定 的 困难及 使系统 的稳定性 变差 等． 本 文所研究 的对 象是永磁 同步 电动机 ， 速度传感 器直接转 矩控制 的一般实 现方法 较复杂 和 困难 ． 无 本 文采用 了两种 速度估计 ： 种是基 于定 子磁链 的矢量 角 ， 一种是 基 于转 子磁链 的矢量 角． 一 另 本论 文设 计 了 永磁 同步 电动机 无速 度传感器 Ｄ Ｃ的系统 ， Ｔ 完成 了仿真 实验． 仿真 结果证 明 了方案 的可行 性和有 效性．
文章 编 号 ：６ ２ ２ ７ ２ １ ） ４０ ４ — ４ １ ７ — ４ ７（ ０ ０ ０ — ０ ３ ０
无 速 度 传 感 器 永 磁 同步 电机 直 接 转 矩 控 制 系统 仿 真 研 究
强 珊 珊 ， 文 婧 江 明 ， 颜 ，
（ ． 徽 工 程大 学 安 徽 检 测技 术 与 节 能 装 置省 级 实 验 室 ． 徽 芜 湖 ２ １ ０ １安 安 ４００
第 ４ 期
强 珊 珊 ， ： 速 度 传 感 器永 磁 同步 电机 直接 转 矩 控 制 系统 仿 真 研 究 等 无
额定 电压 Ｕ 一 ２ ０Ｖ， ２ 频率 ． ５ ， 厂一 ０Ｈｚ直轴 电感 一 ０ ００ ５Ｈ， ． ８ 交轴 电感 Ｌ 一 ０ ００ ５Ｈ， ． ６ 等效励 磁磁 链
制 系统． 当电机给 定转速 为 ２ ／ ， ５Ｎ 负载 情况下 的仿真结果 如 图 ４ ０ｒｓ 带 ｍ 所示 ． 根据 上面 的仿真结果 可 以 发现， 当电机稳定运 行时 ， 两种速度 估计算法 方法都 可以较 准确 的估 计永磁 同步 电机 的速 度 ， 尽管 在启 动
时有较 大 的误 差而且 观测速 度稍微 滞后 于实 际速度． 主要 是 因为在 Ｄ Ｃ系统 中转矩 角 是 ｎ ｓ 这 Ｔ ￣Ｊ ， 变化 的 ， 并且转 矩角在 开始 时脉动很 大造成 的． 不过此 系统在启 动时 的速度估计滞 后时 问相对缩 短 了． 而基于 转子
磁链矢 量角 的速 度估计 虽在 时间在上 稍微滞后 于基 于子磁链矢 量角 的速度 估计 ， 但是稳 定波形 较平滑．
∞
ｔｍｅ ｓ ｉ ／
ｔｍｅ ｓ ｉ Ｊ
ｔｍ ｄｓ ｉ
图 ４ 带速 度 传 感 器 的实 际 速 度 与 基于 定 、 子 磁 链 矢量 角 的速 度 估 计 波 形 转
旷
坐标 系 ， 子 绕 组 电 压 可 以 通 过 直 流 电 压 和 逆 定
变 器的前一 状态开关 状 态得 到． 链 、 矩、 磁 转 定转 子 磁链 矢量 角和速 度的估计值 都可 以按 照下 面的
方 法获得．
３ 无 速度 传 感 器 控 制 的速 度 估算 策 略
为 了获得 一个低 成本 ， 高性 能 的 Ｄ ＴＣ驱动系
１ 永磁 同步 电机 的 数 学模 型
从 文献 ［］中得 出永磁 同步 电机的数学模型如图 １ｄ轴 与 Ａ相绕组的夹角为 ， ２ ． 定义 为转矩角． 在转子
ｑ坐标系下 ， 永磁 同步 电机的磁链 、 电压 、 转矩的表达式为 ：
…
收稿 日期 ：０１— ６０ ２ ００—９
作者 简 介 ： 珊 珊 （９ ５） 女 ， 徽 蚌 埠人 ， 士 研究 生 强 １８一 ． 安 硕 通讯 作 者 ： 江 明 （９５） 男 ． 徽 芜 湖人 ． 授 ， 导． １６一 ． 安 教 硕
４ ２ 带 速 度 反 馈 的 速 度 观 察 器 的 仿 真 结 果 ．
为 了验证上 述两 种速度估计 方法 的可行性． 同样 的参数条 件下 ， 速度估计 值做 闭环 的直接转矩 系 在 用
统 的仿 真结果如 图 ５和图 ６ 所示 ． ５是基于定 子磁链矢 量角速 度估计反 馈 的仿 真结果 ． ６是基 于转 子 图 图
第 ２ 卷 第 ４期 ５
２１ ０ ０年 １ ２月
安
徽
工
程
科
技
学
院
学
报
Ｖｏ１２５ Ｎ ｏ ４ ． ． ．
Ｄｅ ．， ０ ０ ｃ ２ｉ
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＡｎ ｕ ｉｅｓｔ ｆＴｅ ｈ ｏｏ ｙａ ｄＳ ｉｎ ｅ ｏ ｒ ａ ｈ ｉ ｏ Ｕｎｖ ｒｉ ｏ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｃｅ ｃ ｙ
馈可 以使 电机 启动较 平稳 而且精度 较高．
・
４ ・ ６
安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报
第 ２ ５卷
赳
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・ ‘ ＿ １Ｉ ＿． Ｉ ｛ １ ｍ 嚣 一 ０
５ 结 论
卜
图 ６ 基 于转 子 磁 链 矢量 角 速 度估 计 反 馈 的速 度 估计 及三 相 定 子 电流 和 转 矩 仿 真 波 形
安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报
第 ２ 卷 ５
２ 永 磁 同 步 电 动 机 无 速 度 传 感 器 ＤＴＣ 系 统
永 磁 同 步 电机 的 无 速 度 传 感 器 Ｄ ＴＣ 系 统 的
框图如 图 ２所示Ｌ ， 了验 证速度观察 器的作用 ， ３ 为 ］ 该系统 可以选择带 反馈信 号 的速度 观察器或 速度 传感器． 过坐标 变换 ， 通 三相 定子绕 组 电流转 化为
观察器． 转子 的磁链矢 量角 等于定子 磁链矢量角 减去转矩 角． 永磁 同步 电机 的转矩 角 ８ ｋ Ｅ （） 可 以表示为 ：
ｃ＝ｒｎ 矗＝ｃ（＿ ａｉ ｉ ｓｊ． 厂
因此 ，
０（ ）一 （ ）— （ ） ， 正 是 — 走
），
ｃ 。
（ １ １）
通过对 （ １ １ ）式进行 离散化 ， 算的 速度可 以从下 式 中得到 ： 估
Байду номын сангаас
２ 约 翰芬 雷 华 能 设 计有 限 公 司 ， 京 １ ００ ） ． 北 ０ ０ ４ 摘要 ： 主要 分 析 了无 速 度 传感 器 的直 接 转 矩控 制 ， 用 了基 于 定 子 磁 链 的矢 量 角 和 转 子 磁 链 的 矢 量 角 的 两种 采 速度估计方法． 真结果表明 ． 仿 当电 机稳 步 运 行 时 ． 利 估算 方 法 都 能 准确 的估 算 转 速 ． 而 ， 于转 子磁 链矢 两 ， 然 基
转子磁通 矢量角之 问 的角 度． 转子 磁链 矢量 角度 可 由 一 问接 得到 ， 需要做 其他任何 计算 ． 不 因此 ， 本
文提 出了以下 ２ 方法来对 无速度传 感器进行 速度估计 ： 种 一种是基 于定子 磁链矢量 角 ； 一种是 基于转 子 另
的磁链矢 量角．
３ １ 基 于 定 子 磁 链 矢 量 角 ．
，
㈤ 一 ———— 二 — ——一 一 — ———— －— 二 二 一 二 ！ —一 生 良 —
．
ｒ９ １、 ＬｌＺ
４ 仿 真 结 果 及 分 析
为 了验证 提出的 速度估算 方法 的可行 性 ， 了大量 的仿真 实验． 做 选择 的电机 主要参 数 ： 对数 Ｐ一 ２ 极 ，
永 磁 同步 电动机 （ ＭＳ 系统具有 效率高 、 Ｐ Ｍ） 控制精度 高 、 矩密度高 、 转 可靠性 高 、 寿命 长 和 良好 的转矩 平稳性 及低振 动噪声 等特点 ， 广泛用 于 快速 、 并 准确 、 密 位置 控 制等 领 域． 精 直接 转矩 控 制 （ ＴＣ 具 有许 Ｄ ） 多潜在 的优点 ． 例如 ， 它不 同于传统 的矢 量控制 方法 ， 中的转矩 控制 在转 子 参！ 系 通过 控制 电 流来实 其 ！ ｆ ｛
磁 链 的 Ｄ Ｃ系统 中的矢量框 图如 图 ２所示 ．定子磁链 以 可 以通过下列 式子计算 得 出 ： Ｔ
一
Ｉ ｒ ｄ ［ 一 ￡ “ ］ ｌ ｒ ｄ ［ — ￡ “ ］
（ ６ ） （ ７ ）
一
式 中 ： 、 “ 分别为 定子 电压 在 ａ 卢坐标 系下 轴 和卢轴 的分 量 ； 、 分别为定 子磁链 在 ｎ 卢坐标 系下 轴 和 卢 的分量 ； 、ｊ 别为定 子电流在 ａ 轴 ｉ分 － ９ 卢坐标 系下 ａ轴 和卢轴 的分量． 因此 ， 子磁链 角度为 ： 定
一 刚 ａｎ
（ ），
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（） ９
在实际系统 中 ， 电机稳定运 行时 ， 当 电机转子转速 的估算 可以通过定 子磁链矢 量角估 算 的离散化来 实现．
，
（ 走）一
式 巾 了 是采样 周期 ． 、 ３ ２ 基 于 转 子 磁 链 矢 量 角 ．
为 了提高在 静态和 动态过程 的 Ｄ Ｃ系统 的估计速度 的真实性 ， 出 了根据 转子 的磁 链矢 量角 的速度 Ｔ 提
统 ， 于速度估 算的方 法前人做 了很多研究 ． 对 基于
图２ 无速度传感器直接转矩控制系统框图
对 Ｄ Ｃ系统 的可靠 性 的考 虑 ， Ｔ 尽量 采用通过简单 计算来控 制永磁 同步 电机 的策 略． 定子 磁链 向量是 Ｄ ｃ Ｔ
系统 巾的一个 在控制变 量 ， 因此定 子磁链矢 量角 很容易 获得． 转矩 角 是 永磁 同步 电动机定 子磁链 角和