一種簡(jiǎn)單的永磁同步電機(jī)SVM直接轉(zhuǎn)矩控制研究

摘 要：傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制運(yùn)用磁鏈和轉(zhuǎn)矩雙滯環(huán)比較器控制，基于6個(gè)基本電壓矢量設(shè)計(jì)離散開(kāi)關(guān)表控制開(kāi)關(guān)的通斷，具有磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，開(kāi)關(guān)頻率不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。本文研究了一種簡(jiǎn)單的永磁同步電機(jī)（SVM）的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，用于計(jì)算在一個(gè)采樣周期內(nèi)準(zhǔn)確的電壓矢量，來(lái)補(bǔ)償磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效地減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低諧波畸變，提高電機(jī)的運(yùn)行性能。

關(guān)鍵詞：SVM；直接轉(zhuǎn)矩控制；磁鏈脈動(dòng)；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）04-0030-04

Abstract：The traditional direct torque control（DTC）is controlled by magnetic chain and torque double hysteresis comparator. Based on 6 basic voltage vectors，a discrete switch table control switch is designed，which has the disadvantages of large flux and torque ripple，unstable switching frequency and so on. A simple（SVM）direct torque control method for permanent magnet synchronous motor（PMSM）is studied in this paper，which is used to calculate the accuracy of voltage vectors in a sampling period to compensate the error of the magnetic chain and torque. The simulation results show that this method can effectively reduce the flux linkage and torque ripple，reduce the harmonic distortion and improve the motor performance.

Keywords：SVM；direct torque control；flux ripple；torque ripple

0 引 言

永磁同步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磁密度強(qiáng)以及效率高被廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、電梯控制和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快且不依賴(lài)電機(jī)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)[1，2]。直接轉(zhuǎn)矩控制根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩雙滯環(huán)的輸出作為開(kāi)關(guān)表的輸入實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制。由于每個(gè)采樣周期只作用一個(gè)電壓矢量，導(dǎo)致磁鏈在滯環(huán)帶內(nèi)波動(dòng)，甚至?xí)鰷h(huán)的容差，而磁鏈的精確度直接決定轉(zhuǎn)矩的精確度，這就是直接轉(zhuǎn)矩控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因。同時(shí)，由于原力矩、轉(zhuǎn)速和負(fù)載等方面的影響，同樣的電壓矢量會(huì)產(chǎn)生不同的磁鏈和轉(zhuǎn)矩效果，這就導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)頻率的不恒定。

針對(duì)以上問(wèn)題，很多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，如扇區(qū)細(xì)分和占空比控制相合的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[3]、離散電壓矢量法[4]和空間電壓矢量方法[5，6]。文獻(xiàn)[3]分析了不同矢量電壓控制造成的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的不對(duì)稱(chēng)性，將扇區(qū)細(xì)分為18扇區(qū)，對(duì)電壓矢量進(jìn)行優(yōu)化，并基于轉(zhuǎn)矩增量計(jì)算占空比，改善了磁鏈運(yùn)行的軌跡，減小了電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但是該方法對(duì)磁鏈不對(duì)性的減小沒(méi)有給出具體的數(shù)據(jù)分析，缺乏具體的理論支持。文獻(xiàn)[4]運(yùn)用電壓-電流磁鏈模型與電流-轉(zhuǎn)速磁鏈模型的切換，運(yùn)用離散電壓空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)獲得了更多的有效電壓矢量，減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但是該方法電壓-電流磁鏈模型與電流-轉(zhuǎn)速模型的切換需要處理器進(jìn)行詳細(xì)地計(jì)算，會(huì)出現(xiàn)由于耗時(shí)導(dǎo)致的時(shí)延情況。

本文分析了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)原因，采用了一種簡(jiǎn)單的電壓矢量控制方法，計(jì)算在一個(gè)采樣周期內(nèi)準(zhǔn)確的電壓矢量，來(lái)補(bǔ)償磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差。仿真結(jié)果表明該方法能夠有效地減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低諧波畸變。

1 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制首先由Takahashi和Noguchi提出，主要應(yīng)用于中低功率感應(yīng)電機(jī)領(lǐng)域[7，8]。后來(lái)，由Depenbrock提出應(yīng)用在大功率領(lǐng)域。DTC由于結(jié)構(gòu)思路簡(jiǎn)單、不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換和電壓解耦控制、響應(yīng)速度快以及魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的DTC的基本的數(shù)學(xué)模型如圖1所示。兩個(gè)定子電流（isa和isb）和直流母線電壓VDC被采樣。d-q軸的定子電壓和電流矢量，定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩也根據(jù)采樣電壓和電流按下式計(jì)算。

定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的幅值與他們的參考值按照?qǐng)D2所示的滯環(huán)比較器進(jìn)行比較，其輸出作為開(kāi)關(guān)量表（如表1所示）的輸入來(lái)選擇最優(yōu)的電壓矢量。有8個(gè)基本的電壓矢量，其中包括2個(gè)零矢量，如圖3所示。每個(gè)選中的最優(yōu)電壓矢量在一個(gè)采樣周期中起改變磁鏈和轉(zhuǎn)矩的作用。因此，對(duì)于誤差較小的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，在一個(gè)周期中有可能轉(zhuǎn)矩會(huì)超出滯環(huán)的帶寬，從而導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩的較大脈動(dòng)。因此采用SVM（空間矢量調(diào)制）技術(shù)調(diào)節(jié)每個(gè)采樣周期作用的電壓矢量的大小和方向能有效地抑制磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，改善電機(jī)的控制性能。

2 SVM-DTC控制方法

傳統(tǒng)的DTC由于一個(gè)采樣周期只有一個(gè)電壓矢量持續(xù)作用，導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，功率開(kāi)關(guān)頻率不穩(wěn)定。SVM技術(shù)在20世紀(jì)80年代后期由德國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)提出，在理論上和實(shí)踐上都取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。SVM-DTC技術(shù)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：直流母線電壓的最優(yōu)化應(yīng)用、低的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、低的諧波畸變、低的開(kāi)關(guān)損失和比較容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理等。在每一個(gè)采樣周期，一個(gè)預(yù)測(cè)方法應(yīng)用來(lái)獲得電壓開(kāi)關(guān)矢量，以補(bǔ)償磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小了，開(kāi)關(guān)頻率也維持恒定。SVM技術(shù)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期（TZ）應(yīng)用零電壓矢量和兩個(gè)相鄰的電壓矢量生成參考電壓矢量，如圖4所示。

參考電壓在穩(wěn)態(tài)的時(shí)候是恒壓恒頻的，每個(gè)TZ采樣一次。在采樣周期，逆變器開(kāi)關(guān)動(dòng)作，以便于保證在不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，不同的占空比，采樣周期內(nèi)產(chǎn)生的平均電壓在負(fù)值和角度方面都等于參考電壓值。在一個(gè)采樣周期TZ中，有效的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是SA和SB，對(duì)應(yīng)的電壓矢量是V1和V2。兩個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)SA和就是有效開(kāi)關(guān)狀態(tài)，SA指的是逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)（001）、（100）或（010），而SB指的是開(kāi)關(guān)狀態(tài)（101）、（110）或（011）。T1和T2分別是作用于開(kāi)關(guān)狀態(tài)SA和SB的時(shí)間。零電壓矢量T0和T7分別作用的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是S0和S7。因此，在DTC中應(yīng)用SVM技術(shù)，能夠根據(jù)滯環(huán)比較器的輸出來(lái)準(zhǔn)確地計(jì)算需要的電壓矢量的大小和方向，從而準(zhǔn)確地控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩。而且在每個(gè)采樣周期TZ中，能夠保證每個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)通一次，以此確保開(kāi)關(guān)頻率恒定。

3 仿真結(jié)果

本文對(duì)兩個(gè)控制方法做了對(duì)比分析，一個(gè)是傳統(tǒng)的DTC技術(shù)，一個(gè)是SVM-DTC技術(shù)，給出了以下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。兩種方法對(duì)應(yīng)的電機(jī)參數(shù)如表2所示。

如圖5-10所示，顯示了永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)的和SVM-DTC兩種方法的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。圖5-6、圖7-8和圖9-10分別顯示了兩種方法的定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流的對(duì)比。實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用SVM-DTC技術(shù)后，定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和定子電流的脈動(dòng)都減小了，電機(jī)的控制性能有很大的提高。

4 結(jié) 論

在傳統(tǒng)的DTC技術(shù)中，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的受磁鏈滯環(huán)和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的控制，在一個(gè)采樣周期只有一個(gè)最優(yōu)電壓矢量作用，磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，開(kāi)關(guān)頻率隨速度和負(fù)載的變化也在變化。尤其在低速的時(shí)候，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)存在很大的問(wèn)題。SVM-DTC技術(shù)在一個(gè)采樣周期內(nèi)應(yīng)用兩個(gè)相鄰的電壓矢量和零電壓矢量共同作用，可以產(chǎn)生任意大小和方向的電壓矢量，正好補(bǔ)償磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差，從而有效地抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，又能確保開(kāi)關(guān)頻率恒定，改善了電機(jī)的控制性能。

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作者簡(jiǎn)介：唐美玲（1975-），女，漢族，副教授，博士研究生。研究方向：電機(jī)控制、電力電子與電力傳動(dòng)。