永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究

戴麗萍

（富拉爾基區(qū)黑化集團造氣廠電儀車間，黑龍江 齊齊哈爾 161041）

直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，簡稱DTC）技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后在交流調(diào)速領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新型變頻調(diào)速技術(shù)，常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩控制具有實現(xiàn)簡單、動態(tài)響應(yīng)迅速快和受電機參數(shù)變化影響小的優(yōu)點，能夠獲得較好的動態(tài)性能，但也存在著較大的轉(zhuǎn)矩脈動。針對常規(guī)直接轉(zhuǎn)矩控制存在的不足，提出了基于空間電壓矢量脈寬調(diào)制（Space-voltage Vector Pulse Width Modulation，簡稱SVPWM）技術(shù)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，利用電壓空間矢量調(diào)制能夠使逆變器實現(xiàn)電壓空間矢量的連續(xù)輸出，有效地減小了電流諧波成分，抑制了轉(zhuǎn)矩脈動，同時也大大地提高了直流母線電壓的利用率，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍；同時，為了進一步改善系統(tǒng)的調(diào)速性能，速度控制器采用了模糊PI控制策略，進一步提高了系統(tǒng)的動靜態(tài)特性和抗干擾能力。

1 永磁同步電動機數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直接轉(zhuǎn)矩控制是交流電動機的一種高性能控制策略，在永磁同步電動機驅(qū)動控制中的應(yīng)用與研究已受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。為了能夠更加透徹地理解這種控制策略在永磁同步電機伺服系統(tǒng)的應(yīng)用，本章建立了不同坐標(biāo)系下永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型并進行了矩角分析。永磁同步電動機具有動態(tài)響應(yīng)快、運行平穩(wěn)、過載能力強等優(yōu)點，非常適合在負載轉(zhuǎn)矩變化較大的情況下使用，而且它的效率和功率因數(shù)都比較高，在輕載運行時節(jié)能效果明顯，長期使用可以大幅度節(jié)省電能。另外，永磁同步電動機不需要勵磁電流，而且體積較之同容量的異步電機小、重量輕、結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍比較廣。

1.1 永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型

經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換給出了在dq坐標(biāo)系下永磁同步電動機的電壓、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和機械運動方程，即永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型：電壓方程為

（1-3）

1.2 永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計算與控制電機的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能?；趦牲cBang-Bang式直接轉(zhuǎn)矩控制闡述了直接轉(zhuǎn)矩控制下的永磁同步電動機磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制原理。其后給出了基于模糊PI和SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理方框圖，并就各個部分進行了詳細論述。從整個控制系統(tǒng)來看，直接轉(zhuǎn)

永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，在深入分析了永磁同步電動機數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上通過Matlab建立了磁鏈模塊、轉(zhuǎn)矩模塊、SVPWM和模糊PI等模塊，實現(xiàn)了基于模糊PI調(diào)節(jié)、SVPWM調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的閉環(huán)仿真平臺，并在此基礎(chǔ)上進行了大量的仿真研究。通過仿真模型的仿真實驗結(jié)果，從仿真波形可以看出，采用直接轉(zhuǎn)矩控制策略的永磁同步電機控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈脈動小，轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快，對于負載波動的適應(yīng)能力強，表明該系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，具有較好動態(tài)特性。

3永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制硬件和軟件設(shè)計

利用DSP來控制各類電機，不僅能方便地實現(xiàn)控制電路，并且能完成各種復(fù)雜的、高性能的控制策略。本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320F2812是面向電機控制具有特殊設(shè)計的DSP，具有高達150MIPS的高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富外設(shè)資源，所需的外圍電路得到了很大簡化，系統(tǒng)成本降低，并具有很高的可靠性，因此在電機的全數(shù)字控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。以DSP為核心控制器件的永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖如圖5-1所示，硬件的基本構(gòu)成主要由控制模塊、驅(qū)動模塊、反饋模塊、保護電路以及顯示模塊等組成。

圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)直流電壓源由整流橋，電容C1、C2和電阻R3構(gòu)成。220V正弦交流電經(jīng)兩相不可控整流橋整流，再經(jīng)電容C1、C2濾波后作為三相逆變橋的直流電壓源。電容C1既作為濾波電容濾除電壓中的低次諧波，又作為儲能電容儲存電機繞組續(xù)流時回饋的能量。在系統(tǒng)控制器中，DSP TMS320F2812作為核心完成系統(tǒng)的所有運算任務(wù)。光電編碼器采集的轉(zhuǎn)子位置信號在差分接收后，經(jīng)光電隔離送人DSP的正交編碼引腳，在DSP程序中完成角度和速度運算。通過電流霍爾傳感器采集的A、B相電流經(jīng)濾波、限幅處理后送入DSP的A/D轉(zhuǎn)換引腳。DSP在中斷子程序中完成3/2變換、磁鏈估計和轉(zhuǎn)矩估計等運算，控制信號經(jīng)SVPWM模塊調(diào)制后由DSP的PWM引腳輸出，經(jīng)光電隔離后送入驅(qū)動電路。

對任何控制系統(tǒng)來說，準(zhǔn)確、可靠的軟件是系統(tǒng)能夠高性能運行的重要保證。該系統(tǒng)的軟件部分由DSP的C語言程序?qū)崿F(xiàn)，主要包括以下幾個部分：

（1）轉(zhuǎn)子位置角、轉(zhuǎn)速計算；

（2）電流、電壓采樣；

（3）3/2變換及2/2逆變換；

（4）磁鏈估計；

（5）轉(zhuǎn)矩估計；

（6）速度環(huán)模糊PI調(diào)節(jié)；

（7）磁鏈、轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器；

（8）空間電壓矢量脈寬調(diào)制；

這些模塊相互配合組成整個控制系統(tǒng)。

4系統(tǒng)實驗及驗證

通過對以TMS320F2812為核心的永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實驗測試，實驗結(jié)果表明，常規(guī)DTC具有快速的動態(tài)響應(yīng)性能但是轉(zhuǎn)矩脈動較大；而基于SVPWM和模糊PI的直接轉(zhuǎn)矩控制控制系統(tǒng)具有較快的動態(tài)響應(yīng)特性，又有效地抑制了轉(zhuǎn)矩的脈動，電流波形畸變減小，抗干擾能力強。

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