五相凸极式永磁同步电机直接转矩控制研究

五相凸极式永磁同步电机直接转矩控制研究五相凸极式永磁同步电机直接转矩控制研究

摘要：随着信息技术和工业自动化的不断发展，永磁同步电机在工业领域得到广泛应用。为了降低永磁同步电机的转矩脉动和提高其控制精度，本文研究了五相凸极式永磁同步电机的直接转矩控制方法。首先，利用矢量控制原理建立了五相凸极式永磁同步电机的模型，并对模型进行了分析与求解。然后，根据模型的特性，设计了直接转矩控制方法，并利用PI控制器进行了参数调节。最后，通过仿真实验验证了该控制方法的有效性。结果表明，该方法能够显著减小永磁同步电机的转矩脉动，提高其控制精度和性能。

关键词：五相凸极式永磁同步电机；直接转矩控制；矢量控制；PI控制器；转矩脉动

1.引言

随着现代工业的发展，高效、可靠的电机控制系统越来越受到重视。永磁同步电机由于其高效、低噪音、小体积等优点，被广泛应用于工业领域中。然而，由于永磁同步电机的磁力不可控制，其转矩脉动较大，导致其控制精度和性能受到限制[1-3]。因此，如何减小永磁同步电机的转矩脉动，提高其控制精度和性能，一直是研究的热点和难点。

直接转矩控制技术是一种实现永磁同步电机转矩控制的有效方法[4-6]。它不需要速度传感器和速度估计器，能够实现高精度的转矩控制。同时，直接转矩控制技术具有简单、灵活、响应快等特点，被广泛应用于永磁同步电机的控制中。然而，由于永磁同步电机的非线性和时变性，直接转矩控制技术的设计和实现较为困难[7-9]。

五相凸极式永磁同步电机是一种结构紧凑、性能稳定的永磁同步电机，近年来得到了广泛关注[10-12]。本文针对五相凸极式永磁同步电机的特点，研究了一种直接转矩控制方法，并进行了仿真实验。通过对仿真结果的分析，验证了该方法的有效性和可靠性。

2.五相凸极式永磁同步电机的模型

五相凸极式永磁同步电机是一种特殊的永磁同步电机，其转子上有五组凸极，与定子的电气角度分别相位差72°(2π/5)[13]。五相凸极式永磁同步电机的转子磁链是由磁铁提供的，而且具有磁场分布均匀、磁通量高等优点，因此有着较高的磁场利用率和转矩密度。五相凸极式永磁同步电机的电路模型如图1所示。

（图1五相凸极式永磁同步电机电路模型）

根据矢量控制原理，五相凸极式永磁同步电机的电气方程可表示为：

$u_{d}=L_{d}\frac{di_{d}}{dt}+R_{s}i_{d}+\omega_{e}L_{q}i_{q}-\psi_{p}\frac{d\theta_{r}}{dt}$(1)

$u_{q}=L_{q}\frac{di_{q}}{dt}+R_{s}i_{q}-\omega_{e}L_{d}i_{d}+\psi_{p}\frac{d\theta_{r}}{dt}$(2)

其中，$u_{d}$和$u_{q}$分别是永磁同步电机的d轴和q轴电压，$i_{d}$和$i_{q}$分别是永磁同步电机的d轴和q轴电流，$L_{d}$和$L_{q}$分别是永磁同步电机的d轴和q轴感应电感，$R_{s}$是永磁同步电机的定子电阻，$\omega_{e}$是永磁同步电机的旋转角速度，$\psi_{p}$是永磁同步电机的磁通量，$\theta_{r}$是永磁同步电机的转子电角度。

根据转子运动方程，转子的转动角速度可以表示为：

$\omega_{r}=\omega_{e}-\omega_{m}$(3)

其中，$\omega_{r}$是永磁同步电机的转子转动角速度，$\omega_{m}$是永磁同步电机的机械负载角速度。

3.直接转矩控制方法的设计

由于永磁同步电机的磁链不可控制，因此直接控制其输出转矩是很难实现的。直接转矩控制技术采用了两种方法来实现转矩控制：一种是利用磁场定向技术，通过在d轴上控制电流，使得输出转矩随之改变；另一种是在q轴上控制电流，通过dq坐标变换，实现输出转矩的控制[14]。

本文采用了后一种方法，设计了五相凸极式永磁同步电机的直接转矩控制方法。首先，根据电气方程可得：

$\psi_{p}=K_{p}i_{q}$(4)

其中，$K_{p}$是永磁同步电机的磁通量系数。因此，控制永磁同步电机的输出转矩可以通过在q轴上控制电流来实现。将q轴电流控制在期望转矩值处，即可相应地调整永磁同步电机的输出转矩。

根据dq坐标变换的公式可得：$i=\alphai_{d}+\betai_{q}$和$\psi=\alpha\psi_{d}+\beta\psi_{q}$，其中$\alpha$和$\beta$为变换系数[15]。因此，在直接转矩控制中需要根据期望转矩值求出期望q轴电流，并根据dq坐标变换的公式计算出期望d轴电流。然后，利用PI控制器对期望q轴电流进行控制，计算出实际q轴电流，最后根据dq坐标变换的公式得到实际d轴电流和实际q轴电流。

直接转矩控制方法的控制框图如图2所示。

（图2直接转矩控制方法的控制框图）

5.仿真实验与结果分析

本文采用MATLAB/Simulink软件对五相凸极式永磁同步电机进行了仿真实验，并采用了前文所述的直接转矩控制方法。我们分别对基本控制方法和直接转矩控制方法进行了仿真实验，并比较了其在控制效果、转矩脉动和动态响应等方面的差异。

模拟参数如下：

电感：Ld=4mH，Lq=6mH电阻：Rs=2Ω，Fe=0.01

转矩：步长为0.1N·m，最大转矩9N·m，噪声为0.01N·m

直接转矩控制的PI参数为：

Kp=10，Ki=400

图3和图4分别是基本控制方法和直接转矩控制方法的转矩响应曲线和转矩脉动曲线，其中黄色曲线表示期望转矩，蓝色曲线和绿色曲线分别表示基本控制方法和直接转矩控制方法的实际输出转矩。

（图3基本控制方法与直接转矩控制方法的转矩响应曲线）

（图4基本控制方法与直接转矩控制方法的转矩脉动曲线）

从仿真结果可以看出，采用基本控制方法时，转矩响应时间较长，并且存在较大的转矩脉动；而采用直接转矩控制方法时，系统的响应速度和转矩脉动明显改善，控制精度和系统性能得到了有效提升。

6.结论

本文研究了五相凸极式永磁同步电机的直接转矩控制方法，在分析永磁同步电机的方程模型的基础上设计了转矩控制方法，并仿真实验验证了其有效性。实验结果表明，直接转矩控制方法能够显著降低永磁同步电机的转矩脉动，提高其控制精度和性能。因此，直接转矩控制技术在永磁同步电机的控制中具有重要的应用价值和研究意义。

7.推广应用

五相凸极式永磁同步电机作为一种新型的电动机，其在电动汽车、船舶和风力发电等领域具有广泛的应用前景。在这些领域中，对电机的控制精度和性能提出了更高的要求，因此，直接转矩控制技术在其应用中具有重要的作用。通过本文研究的直接转矩控制方法，永磁同步电机可以实现更加精确、稳定的控制，提高其工作效率，延长其寿命。

此外，本文提出的直接转矩控制方法也可以推广到其他类型的永磁同步电机中，比如三相永磁同步电机和双绕组永磁同步电机等。这些电机在机械、航空航天等领域中也有广泛的应用，因此，直接转矩控制技术的推广应用可以为这些领域带来更好的技术发展和经济效益。

8.未来展望

在未来的研究中，可以进一步完善直接转矩控制方法，深入研究永磁同步电机的控制机理，提高其工作效率和转矩精度。同时，也可以将其他的控制方法应用到永磁同步电机中，比如矢量控制、直接转流控制等，进行对比研究，探究不同控制方法的优缺点和适用范围。此外，对于永磁同步电机的设计和制造也需要进一步研究，以满足各个领域对电机性能的不同要求。

总之，五相凸极式永磁同步电机的直接转矩控制方法研究具有重要的理论与应用意义，对于推进永磁同步电机的技术发展、提高电机的性能和精度，具有重要的参考价值未来的研究还可以探究永磁同步电机在智能电网、电动汽车、工业自动化等领域中的应用，对电机的控制和管理进行更加深入的研究。同时，可以结合机器学习、人工智能等新兴技术，开发出更加智能化、自动化的电机控制系统，为电机的运行和维护提供更加便捷、高效的方案。

此外，还可以探究永磁同步电机与其他能源设备的组合应用，比如与太阳能、风力发电等设备的配合运行，实现对能源的更好利用和管理。对于这些组合应用，还需要深入研究电机的整体控制和管理方案，以及电机与其他设备的协同工作模式，以实现更加可靠、高效的能源供给。

总之，永磁同步电机作为一种高效、精确的电机，具有广泛的应用前景。通过未来的研究和发展，可以进一步完善其控制技术和应用领域，实现对能源的更好利用和管理，为人类的可持续发展做出贡献此外，还可以在永磁同步电机的设计和制造上进行更深入的研究，以实现更高效、更可靠的电机。例如，可以探究新型材料对电机的性能提升效果，或是研究新的制造工艺，以提高电机的生产效率和质量。此外，还可以探究新型永磁材料的应用，例如高能密度永磁材料、自旋极化材料等，以进一步提升电机的性能和效率。

除此之外，未来的研究还可以关注永磁同步电机在电力系统中的应用，如电力负荷平衡和电能储备等方面。同时，可以结合区块链等技术，研究电力市场的智能化交易和能源管理，以进一步提高电能的利用效率和经济效益，促进能源领域的可持续发展。

最后，未来的研究还应该注重永磁同步电机的环境影响和可持续性。例如，可以通过研究电机的能效设计和制造过程，减少电机对环境的影响，降低电机的碳排放量。同时，还可以研究电机在使用过程中的环境影响和排放情况，提高电机的可持续性。

总之，未来的研究可以从多个方面入手，进一步完善永磁同步电机的性能和应用领域，实现对能源的更好利