基于DSP對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究

摘 要：直接轉(zhuǎn)矩控制是眾多電機(jī)控制方法中應(yīng)用最為廣泛的一種，但實(shí)際工程應(yīng)用中存在觀測(cè)誤差較大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大等問題。因此，如何實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制是一件具有非常重要意義的工作。DSP技術(shù)是一種重要的控制策略，其廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域的方方面面，文章就基于DSP對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：DSP；永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制

1 引言

電機(jī)是一種電磁裝置，它通過磁場(chǎng)的相互作用，實(shí)現(xiàn)了電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。電機(jī)的控制策略有很多，而直接轉(zhuǎn)矩控制是其中應(yīng)有最為廣泛的一種[1]。直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，且實(shí)現(xiàn)簡單，成本低廉。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，存在很多缺點(diǎn)，如：觀測(cè)誤差較大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大等問題。因此，如何實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制是一件具有非常重要意義的工作。而DSP技術(shù)是一種重要的控制策略，其廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域的方方面面，本文就基于DSP對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

2 永磁同步電機(jī)（PMSM）控制策略介紹

近十年以來，隨著科技的快速發(fā)展，永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為交流電機(jī)控制的熱點(diǎn)問題。它與傳統(tǒng)的電機(jī)相比，具有非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如：結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)、能耗低、效率高。另外，隨著，近年來永磁材料的成本越來越低、材料性能和工藝性能也不斷的完善。使其在國防、工業(yè)及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域之中應(yīng)用越來越廣泛[2]。

在控制策略方面，矢量控制以高精度和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，成為永磁同步電機(jī)控制的主流，而由于高精密數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域?qū)Ω呔芩欧刂频囊笾鸩綇?qiáng)烈，永磁同步控制技術(shù)逐漸浮出水面。數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科[3]。而基于DSP的轉(zhuǎn)矩控制以其獨(dú)特和良好的控制效果，成為了最新的控制熱點(diǎn)問題。

3 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制控制原理圖

永磁同步電機(jī)的控制原理圖如圖1所示，通過對(duì)系統(tǒng)中逆變器輸出的逆變器電壓和三相相電流檢測(cè)，對(duì)定子磁鏈及電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩利用相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果作為輸出結(jié)果輸出。然后依據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的偏差值，通過反饋及信號(hào)放大，通過相關(guān)的邏輯選擇表，確定出合適的控制開關(guān)量，最終完成電機(jī)的整體控制[4]。

3.2 空間電壓矢量

在逆變器供電的情況下，整個(gè)控制系統(tǒng)中，逆變器開關(guān)器件和電機(jī)繞組連接。一般來說，系統(tǒng)之中的電壓型逆變器選擇為180°的導(dǎo)通型[5]。采用這樣的設(shè)計(jì)，可利用三個(gè)開關(guān)信號(hào)實(shí)現(xiàn)六個(gè)器件的通斷，分別為：開關(guān)信號(hào)Sa、Sb、Sc控制。當(dāng)信號(hào)為“1”時(shí)，表示相上的橋臂導(dǎo)通；而當(dāng)信號(hào)為“0”時(shí)，表示下橋臂元件的導(dǎo)通。這樣在系統(tǒng)中就利用六個(gè)有效電壓矢量及兩個(gè)零電壓矢量實(shí)現(xiàn)各個(gè)元器件的空間矢量控制。

3.3 轉(zhuǎn)矩控制

在永磁同步電機(jī)控制過程中，當(dāng)定子磁鏈為固定值時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子磁鏈夾角和定子的改變電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)產(chǎn)生變化。因此，在整個(gè)控制系統(tǒng)中，必須盡快改變轉(zhuǎn)子磁鏈和定子夾角實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。而在直接轉(zhuǎn)矩控制過程中，永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)的電壓在矢量選擇的情況下，往往是不同的[6]。在永磁同步電機(jī)的控制過程中，空間矢量往往選用零電壓。雖然定子磁鏈可保持不變的位置，然而轉(zhuǎn)子磁極永磁磁場(chǎng)和定子磁鏈一直是處于相互作用的狀態(tài)，這樣電機(jī)轉(zhuǎn)矩往往是沒有發(fā)生顯著的變化。而在零電壓矢量中的應(yīng)用效果，往往因其有效性不同，使其在永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中受到了一定的限制。若想在電機(jī)控制過程中減小轉(zhuǎn)矩必須大量使用反向電壓矢量，這也是電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在本文的控制系統(tǒng)之中，當(dāng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩小于設(shè)定值時(shí)，可以使磁鏈沿原來方向旋轉(zhuǎn)的電壓矢量，這樣電機(jī)電磁時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電機(jī)的時(shí)間常數(shù)。在本文的系統(tǒng)中是采用定子磁鏈不間斷地持續(xù)進(jìn)退，以達(dá)到良好快速轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)控制。

3.4 磁鏈控制

在永磁同步電機(jī)的定子上逆變器的輸出電壓將會(huì)直接進(jìn)行加載，通過相關(guān)的計(jì)算，可以得到定子磁鏈空間矢量頂點(diǎn)在每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的軌跡和運(yùn)動(dòng)方向，而對(duì)于電壓空間矢量的作用方向而言，電機(jī)矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡與相關(guān)軌跡的指示方向是平行的。而平行度越高必須要保證定子電阻的電壓降足夠的小。在電壓矢量空間選擇過程之中，整個(gè)空間矢量分為六個(gè)區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)不同的電壓空間矢量，在整個(gè)電機(jī)控制過程之中，通過選擇相關(guān)的空間矢量以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。

3.5 開關(guān)表

在永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，可通過轉(zhuǎn)矩、實(shí)際磁鏈和相對(duì)應(yīng)的給定值之間的差值，通過系統(tǒng)之中的0，1信號(hào)控制來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩值的增大或減小。為獲得更優(yōu)化的控制性能，必須對(duì)磁鏈幅值及當(dāng)前轉(zhuǎn)矩的控制要求進(jìn)行綜合考慮。而在整個(gè)控制系統(tǒng)中，零矢量是用來維持當(dāng)前轉(zhuǎn)矩不變的關(guān)鍵，依據(jù)運(yùn)動(dòng)矢量與零矢量的差值，可依據(jù)電機(jī)開關(guān)表中的各種轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，將其分為三類，分別為：減小、保持以及增加。通過選擇相應(yīng)的開關(guān)表之中的控制矢量，經(jīng)過相關(guān)的計(jì)算以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的各種直接轉(zhuǎn)矩控制。

參考文獻(xiàn)

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