一种新型电机直接转矩控制的仿真研究

电气传动自动化

ＥＬＥＣＴＲＩＣＤＲＩＶＥＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ

Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．４

（４）：３０～２００８，３０３１

文章编号：１００５—７２７７（２００８）０４—００３０—０２

一种新型电机直接转矩控制的仿真研究

陈学珍

（黄石理工学院电气学院，湖北黄石，４３５００３）

摘要：介绍了ＡＬＡ转子电机的结构及其优良特性，但ＡＬＡ转子电机不能在线直接启动，通过变频器启动也存在振荡区，对此采用直接转矩控制，仿真结果表明有很好的效果。关键词：直接转矩控制；新型电机；ＡＬＡ转子电机中图分类号：ＴＭ３４１

文献标识码：Ａ

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｄｉｒｅｃｔｔｏｒｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｎｏｖｅｌｍｏｔｏｒ

ＣＨＥＮＸｕｅ－ｚｈｅｎ

（ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｌｌｅｇｅｏｆＨｕａｎｇｓｈｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｎｇｓｈｉ４３５００３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄａｄｖａｎｔａｇｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＡＬＡｒｏｔｏｒｍｏｔｏｒｉｓｐｒｅｓｅｎｔ，ｂｕｔＡＬＡｒｏｔｏｒｍｏｔｏｒｃａｎ＇ｔｄｉｒｅｃｔｌｙｓｔａｒｔ－ｕｐｏｎｌｉｎｅａｎｄｈａｓｃｈａｔｔｅｒａｒｅａｓｗｉｔｈｖａｒｉａｂｌｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｅｖｉｃｅ．Ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｔｏｒｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌｉｓｕｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ．Ｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｈａｖｅｇｏｏｄｅｆｆｅｃｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔｔｏｒｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｎｏｖｅｌｍｏｔｏｒ；ＡＬＡｒｏｔｏｒｍｏｔｏｒ

１引言

磁阻同步电机即高密度轴向叠片各向异性

求取等核心问题一直未能得到很好的解决，另外矢量控制系统的性能对电机本身参数的依赖性很大。直接转矩控制在定子坐标系下分析电机的数学模型，结构简单，不需要为解耦而简化电机的模型，只依赖定子电阻，减少了矢量技术中控制性能易受参数变化影响的问题。

（ＡｘｉａｌｌｙＬａｍｉｎａｔｅｄＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ，简称ＡＬＡ）转子电机与普通三相异步电机相比，其定子设计几乎没有差异，仅转子结构不同。转子除了无槽无导体外，最大特点是转子采用导磁材料（多采用变压器冷轧硅（如电工纸、玻璃纤维等）钢片）利非导磁绝缘材料

叠片沿轴向交替高密叠压而成。由于叠片宽度和高度方向的磁阻率呈现高度各向异性，转子的凸极比

２ＡＬＡ转子电机数学模型［

电压方程为：

２］

Ｌｄ很大，可为普通电机的５－２０倍。ＡＬＡ转子电机

Ｌｑ

的特殊结构使该电机具有高凸极比，高功率因数，高转矩密度和高过载倍数等优点，正是高品质交流变速传动所需要的新型电机。

ｕＲ

＝!!\"ｕωＬ

ｄｑ

ｓｒ

ｄ

ωｒＬｑ

Ｒｓ

ｉＬ０ｉ＋!ｐ!\"\"!\"\"０Ｌｉｉ

ｄｑ

ｄ

ｄｑ

ｑ

（１）

其中：ｕｄ、电流；Ｌｄ、ｕｑ、ｉｄ、ｉｑ分别为ｄ、ｑ轴电压、Ｌｑ分别为ｄ、ｑ轴电感；Ｒｓ为定子电阻；ωｒ为转子角速度；ｐ为微分算子。

ＡＬＡ转子电机在理论上具有一系列优良的运

行性能，但在实验研究中，发现ＡＬＡ转子电机无法在线直接启动。原因是突加电源对电机的冲击很大，使无启动绕组的ＡＬＡ转子电机无法对电源做出快速响应。电机在变频器供电启动过程中存在一个振荡区。采取矢量控制系统［

１］

Ｐ机械运动方程为：ｐω（２）ｒ＝（Ｔｅ－ＴＬ－Ｒｗωｒ）

Ｊ其中：Ｐ为电机极对数：Ｔｅ为电磁转磁；ＴＬ为负载转矩；Ｒｗ为粘性摩擦系数。

ＰＴ－ＰＴ－ＰＲω即：ωｒ＝ｅＬｗｒ

ＪＪＪ静止坐标系中磁链方程：（ｕα－Ｒαｉα）ｄｔψ＝#α（ｕβ－Ｒｓｉβ）ｄｔψ＝#β

静止坐标系中电磁转矩方程：（ψ）Ｔｅ＝１．５Ｐｉβ－ψｉααβ

（３）

具有良好的动态性

能和很强的控制能力，能够迅速响应负载突变以及旋转方向的变化，但矢量控制需要进行两次静止与旋转坐标系轴系之间的矢量变换使电流解耦，控制系统显得异常复杂，而且磁链瞬时幅值及其相位的

（４）（５）

２００８年第４期陈学珍一种新型电机直接转矩控制的仿真研究・・３１

开关表的输入，选择合适的电压适量作为逆变器的输入。转矩、磁链滞环调节器仿真模型分别如图３、图４所示。

４ＡＬＡ转子电机总仿真模型及仿真结果

ＡＬＡ转子电机总仿真模型如图５所示，ＡＬＡ

电机是用Ｓ函数编写的。

３直接转矩控制模型

如图１所

示为ＡＬＡ转子电机直接转矩控制原理框图。

速度调节器采用Ｐ１调节，仿真模型如图２所示。速度调节器的输出作为转矩调节器给定值。

此处ＡＬＡ电机参数为：ＰＮ＝２．２ｋＷ，ＵＮ＝２２０Ｖ，

Ｐ＝２，Ｊ＝０．００４４８，Ｌｄ＝０．３４５Ｈ，Ｌｑ＝０．０５１Ｈ，Ｒｓ＝２．５

转矩、磁链调节器采用滞环比较器进行ｂａｎｇ－

ｂａｎｇ控制，用以比较磁链和磁链给定，转矩和转矩

给定。将两者的比较信号和计算出的扇区一起作为

（下转第３４页）

・３４・电气传动自动化２００８年第４期

（个）；Ｎ１＝Ｐ×３０／Ｐ２０×２０＝７．８７５≈８重载时数量：

（个）；Ｎ２＝Ｐ×９０／Ｐ２０×９０／η＝６．４１≈７最大负载时数量：

（个）。Ｎ３＝Ｐ×９０／Ｐ２０×９０／η＝５．４９≈６（５）制动电阻数量计算

当制动单元和制动电阻组合时，必须注意电阻值不能小于允许的最小电阻值，否则制动单元将被损坏。电阻值过大时，制动功率将降低（Ｐ＝Ｖ２／Ｒ）。按制动单元技术要求，制动电阻阻值和功率为４．４５Ω，长时功率５０ｋＷ，间歇功率２００ｋＷ。制动电阻和制动单元数量一一对应。单个电阻之间阻值相差小于３％。

（６）实际制动单元和制动电阻数量选择制动单元数量为１０个，每个制动单元额定功率：

（２０ｓ通电功率），Ｐ２０＝２００ｋＷ长时功率：

ＰＤＢ＝０．２５×Ｐ２０＝０．２５×２００＝５０ｋＷ。

制动电阻数量为１０组，每个电阻阻值和功率

，长时功率５０ｋＷ，间歇功率２００ｋＷ。为４．４５Ω

４结论

由以上计算可知，８组制动单元能够完全满足

增加到１０组后，储备系数５０００ｍ钻机的制动要求。

为：ｋ＝１０／８＝１．２５，使得绞车的制动功率更加充足。

作者简介：

闫晨曦（１９７８－），女，毕业于西北农林科技大学，现为天水师范学院讲师。

张振中（１９７６－），男，工程师，毕业于辽宁科技学院，主要现从事石油钻机电控系统的研发工作。

收稿日期：２００７－０６－１０

\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"（上接第26页）

［Ｃ］．ＳｔａｎｄｆｏｒｄＲｅｓｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＭｅｎｌｏＰａｒｋ，Ａｎａｌｙｓｉｓ

１２７．

［８］ＡｋａｉｋｅＨ．ＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌＰｒｅｄｉｃｔｏｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｓｏｆｔｈｅ

Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ．

［３］ＧｅｏｒｇｉｏｓＰａｌｉｏｕｒａｓ，ＶａｎｇｅｌｉｓＫａｒｋａｌｅｔｓｉｓ，ＣｏｎｓｔａｎｔｉｎｅＤ．Ｍａ－

［Ｃ］．２００１．ｃｈｉｎｅＬｅａｒｎｉｎｇａｎｄｉｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

［４］ＴｉｍｏｔｈｙＲＣＲｅａｄ，ＮｏｅｌＡＣＣｒｅｓｓｉｅ．Ｇｏｏｄｎｅｓｓ－ｏｆ－ｆｉｔＳｔａ－

［Ｊ］．ｔｉｓｔｉｃｓｆｏｒＤｉｓｃｒｅｔｅＭｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅＤａｔａ

［５］ＳｉｒＭａｕｒｉｃｅＫｅｎｄａｌｌ，ＳｃＤＦＢＡＡｌａｎＳｔｕａｒｔ，ＤＳｃ，ＪＫｅｉｔｈ

［Ｊ］．ＯｒｄＰｈＤ．ＴｈｅＡｄｖａｎｃｅｄＴｈｅｏｒｙｏｆＳｔａｔｉｓｔｉｃｓ

［６］ＧＨｏｌｍｅｓ，ＣＧ．Ｎｅｖｉｌｌ－ＭａｎｎｉｎｇＦｅａｔｕｒｅＳｅｌｅｃｔｉｏｎＶｉａｔｈｅ

［Ｊ］．ＤｉｓｃｏｖｅｒｙｏｆＳｉｍｐｌｅＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＲｕｌｅｓ

［７］ＣｃｈｅｒｋａｓｓｋｙＶ，ＭｕｌｉｅｒＭ．ＬｅａｒｎｉｎｇｆｒｏｍＤａｔａ：Ｃｏｎｃｅｐｔ，Ｔｈｅｏ－

［Ｃ］．ＷｉｌｅｙａｎｄＳｏｎｓ，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９９８：１１９－ｒｙ，ａｎｄＭｅｔｈｏｄｓ

ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓ．

［９］ＶａｐｎｉｋＶ．ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌＬｅａｒｎｉｎｇＴｈｅｏｒｙｉｎＣｏｍ－

［Ｃ］．ＷｉｌｅｙｐｕｔａｔｉｏｎａｌＬｅａｒｎｉｎｇａｎｄＰｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃＲｅａｓｏｎｉｎｇ

ａｎｄＳｏｎｓ，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９９６．

［９］Ｖａｐｎｉｋ，Ｖ．ＥｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆＤｅｐｅｎｄｅｎｃｉｅｓＢａｓｅｄｏｎＥｍｐｉｒｉｃａｌ

［Ｃ］．Ｎａｕｋａ，Ｍｏｓｃｏｗ．Ｄａｔａ作者简介：

赵景波（１９７１－），男，山东东平人，海军潜艇学院教员，博士，研究方向为控制理论及应用、计算机仿真算法。

收稿日期：２００７－０８－０７

####################################################（上接第３１页）

一样具有快速响应的特性。

Ｒｗ＝０．００７８５，仿真结果如下。如图６、７、８所示分别

为定子磁链轨迹图、转子角速度波形图、电磁转矩波形图。

５结束语

ＡＬＡ转子电机是一种新型电机，具有普通电机

没有的优良特性，由于在线启动困难的缺点了它的发展。本文采用直接转矩控制来改善它的启动特性，仿真结果表明采用直接转矩控制是可行的，而且具有快速响应的特性。

参考文献：

［Ｊ］．湖北工［１］辜承林．ＡＬＡ转子电机的矢量控制调速系统

学院学报，１９９４（９）：４６－４９．

［２］辜承林．机电动力系统分析［Ｍ］．武汉：华中理工大学出版

图８从图６看出，定子磁链接近圆形，从图７、看出ＡＬＡ转子电机采用直接转矩控制与普通电机

（１）：２９５．社，１９９８

收稿日期：２００８－０２－０５