摘要：本文在定子靜止坐標系下建立了表貼式永磁同步電機（SPMSM）的數學模型，分析了表貼式永磁同步電機直接轉矩控制系統的控制原理。基于MATLAB/Simulink仿真平臺，建立該系統的整體仿真模型。仿真結果表明，采用直接轉矩控制系統可以有效地實現電機轉速的快速跟蹤，具有較高的動、靜態性能，有效地減小了電動機磁鏈以及轉矩的脈動，改善了交流調速系統的穩態性能。

　　關鍵字：靜止坐標系；永磁同步電機；直接轉矩控制

　　Study of Surface Permanent Magnet Synchronous Motor direct torque control

　　0 引言

　　直接轉矩控制（DTC）技術是繼矢量控制技術之后發展起來的一種新型變頻調速技術，于20世紀80年代由德國學者M.Depenbrock和日本學者I.Takahashi首先針對異步電動機提出，90年代由Zhong.L,RahmanMF,HuYW等學者提出永磁同步電動機直接轉矩控制理論。它采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標系下計算并控制交流電動機的轉矩和磁鏈，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式控制(Band-Band控制)產生脈寬信號，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能。

　　DTC具備控制結構簡單、轉矩動態響應迅速、對電動機參數依賴少、對電動機參數變化魯棒性好等優點。目前廣泛應用于異步電動機、永磁同步電動機中，在家用電器、汽車工業、電力機車牽引等工業生產中發揮著巨大的作用。

　　本文給出了一種基于表貼式永磁同步電機（PMSM）的直接轉矩控制系統。在分析表貼式永磁同步電機數學模型的基礎上，分析了該系統的控制原理，通過MATLAB/Simulink工具建立了該系統的仿真模型。仿真結果表明該控制方法可以有效地實現電機轉速的快速跟蹤，該系統具有較高的動、靜態性能，有效地減小了電動機磁鏈、轉矩的脈動，改善了交流調速系統的穩態性能。

　　1、表貼式永磁同步電機(SPMSM)數學模型

　　在研究交流電動機的動態數學模型時，常作如下的假設：

　　（1）定子繞組三相對稱，各相繞組軸線在空間上互差120電角度；

　　（2）轉子上沒有阻尼繞組，永磁體沒有阻尼作用；

　　（3）忽略磁路飽和、磁滯和渦流影響，可用疊加原理進行分析；

　　（4）反電勢正弦，定子電流在氣隙中只產生正弦分布磁勢，忽略高次諧波。

　　電壓方程為：

　　2 SPMSM-DTC控制原理

　　直接轉矩控制(DTC)方法采用空間矢量分析方法直接在定子靜止坐標系中分析交流電動機的數學模型，構建轉矩和磁鏈的算法模型，計算和控制交流電機的轉矩，借助于滯環控制器（Bang-Bang控制）產生PWM信號，通過開關表直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能。

　　基本原理是充分利用電壓型逆變器的開關特點，通過不斷切換電壓狀態，使定子磁鏈軌跡逼近圓形，并通過零電壓矢量的穿插來改變轉差頻率，以控制電機的轉矩及其變化率，從而使交流電機的磁鏈和轉矩按要求快速變化。

　　永磁同步電機直接轉矩控制(DTC)系統的結構原理如圖2-1所示，由逆變器、PMSM、磁鏈估算、轉矩估算、轉子位置估算、開關表、PI調節器、滯環比較器等組成。控制系統將電機給定轉速和實際轉速的誤差，經PI調節器輸出作為轉矩的給定信號；同時系統根據檢測的電機三相電流和電壓值，利用磁鏈模型和轉矩模型分別計算電機的磁鏈和轉矩的大小，計算電機轉子的位置、電機給定磁鏈和轉矩磁鏈與實際值的誤差；最后根據它們的狀態選擇逆變器的開關電壓矢量，使電機能按控制要求調解輸出轉矩，最終達到調速的目的。

　　圖2-1永磁同步電機直接轉矩控制系統框圖

　　3 SPMSM-DTC仿真模型組建

　　基于上述的數學模型，在MATLAB環境下，利用Simulink工具，建立了表貼式永磁同步電機直接轉矩控制系統的整體仿真模型，如圖3-1所示。

　　圖3-1系統整體仿真模型

　　4 仿真結果及分析

　　利用上述在MATLAB/Simulink下建立的仿真模型，在MATLABR2010a下進行仿真，系統參數設置如下：

　　采電機轉速、定子磁鏈矢量、磁鏈幅值、電磁轉矩的仿真波形分別如圖（a）、（b）、（c）、（d）。

　　由仿真結果可以看出：電機啟動速度很快，實際的速度能迅速的變化且無超調，在給定轉速變化較大的情況下，能快速跟蹤，說明直接轉矩控制確實具有優良的動、靜態性能。除啟動時磁場建立的過程外，在靜、動態過程中定子磁鏈運行軌跡保持近似圓形，磁鏈幅值波動不大，有效地減小了電動機參數變化時磁鏈的脈動。加負載轉矩之后，電磁轉矩的動態響應較快，波動不大，改善了交流調速系統的穩態性能。

　　5 結束語

　　直接轉矩控制直接在定子靜止坐標系下分析了交流電機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，使得系統結構簡潔，易于實現。在很大程度上解決了矢量控制中計算控制復雜，特性易受電動機參數變化的影響，實際性能難以達到理論分析結果等一些重大問題。本文建立了定子坐標系下的永磁同步電機的數學模型，給出了一種基于表貼式永磁同步電機（SPMSM）的直接轉矩控制系統，并在MATLAB仿真環境下建立了該系統的仿真模型。仿真結果表明，采用直接轉矩控制系統可以有效地實現電機轉速的快速跟蹤，具有較高的動、靜態性能，有效地減小了電動機磁鏈以及轉矩的脈動，改善了交流調速系統的穩態性能。