永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究

基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制系统的研究

永磁同步电机 直接转矩 空间矢量脉宽调制 Matlab/Simulink

1 引言

空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术是在一个控制周期内，通过相邻基本电压矢量和零电压矢量合成得到所需的任意电压矢量，实现电压矢量的线性连续可调的技术[1,2]。

本文运用了一种基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的永磁同步电机的直接转矩控制算法，其原理是根据转矩和定子磁链的误差，通过驱使误差为零的原则确定参考电压空间矢量，然后通过SVPWM技术合成该矢量[3]，由于在下一个控制周期内，采样时刻的电压和磁链误差可以得到补偿，因此转矩和磁链的误差始终能够控制在一个很小的范围，二者的脉动很小。

2 SVPWM的基本原理

交流电动机输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。因此，如果把逆变器和交流电机看成一个整体，控制逆变器的工作状态以此来产生跟踪圆形的旋转磁场，能够达到很好的控制效果。

SVPWM将逆变器和交流电机视为一个整体观念，把三相对称的正弦波电源供电时交流电机产生的理想磁链圆作为参考对象，通过选择三相逆变器的六个功率开关器件的特定开关模式，生成SVPWM脉宽调制波，从而使电机的实际磁链尽可能地逼近理想的圆形，产生恒定的电磁转矩[4]。

由电压源型逆变器产生的8个基本电压空间矢量如图1所示。6个非零基本电压空间矢量将整个电压空间矢量平面区域分成六个60°的扇区Ⅰ-Ⅵ。

图1 电压矢量在空间的分布图

交流电动机仅由常规的逆变器供电，得到的是六边形的旋转磁场。这是因为在一个周期内逆变器只切换六次工作状态，因此只能形成6个电压空间矢量。如果想获得更多边线或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个π/3期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。为此，采用线性组合法控制SVPWM的开关时间，改造后的逆变器可以得到逼近圆形的旋转磁场。

《电气自动化》２ＯＯ７年第２９卷第４期　电气传动和自动控制　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄｒｉｖｅ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ＣｏｎｔｒｏＩ　

基于指数滑模变结构的永磁同步电机直接转矩控　

制系统研究　

Ｔｈｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｔｏｒｑｕｅ　ＣｏｎｔｒｏＩ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｅｘｐｏｎｅｎｔ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｓｌｉｄｉｎｇ　Ｍｏｄｅ　ＣｏｎｔｒｏＩ　

江苏大学电气信息工程学院（江苏镇江２１２０１３）陆晋乔微刘贤兴朱湘临　（Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）Ｌｕ　Ｊｉｎ　Ｑｉａｏ　Ｗｅｉ　Ｌｉｕ　Ｘｉａｎｘｉｎｇ　Ｚｈｕ　Ｘｉａｎｇｌｉｎ　摘要：直接转矩控制（ＤＴＣ）是一种高性能的控制方法。但传统的直接转矩控制系统采用纯积分的电压模型作为磁链观测器，存在着误　差积累以及直流偏移问题，利用两个滞环比较器对转矩和磁链进行控制，虽然响应速度快，鲁棒性强，但导致了电流和转矩的波　动。本文提出了一种新颖的改进策略，用指数滑模变结构控制器来替换Ｐｌ速度调节器，并构建永磁同步电机指数滑模变结构直　接转矩控制系统，在保留传统ＤＴＣ动态性能的情况下，提高了电机的低速性能，减小了转矩脉动和电磁噪声，仿真和实验结果验　证了该策略的可行性。　关键词：直接转矩控制永磁同步电机滑模变结构Ｐｌ调节器　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＴＣ）ｉｓ　ａ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ，ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｆｌｕｘ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｍａｋｉｎｇ　ｕｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｕｒｅ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ＳＯ　Ｏｃｃｕｒｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｅ　ｅｒｒｏｒ　ａｎｄ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｅｘｃｕｒｓｉｏｎｓ．Ｔｏｒｑｕｅ　ａｎｄ　ｆｌｕｘ　ａｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｔｏｒｑｕｅ　ａｎｄ　ｆｌｕｘ　ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｓｐｅｅｄｙ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎｄ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｂｕｔ　ｏｃｃｕｒｓ　ｔｈｅ　ｄｅｆｅｃｔ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｏｒｑｕｅ　ｒｉｐｐｌｅ．Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｗｈｉｃｈ　ｕｓｅ　ｅｘｐｏｎｅｎｔ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｔｏ　ｉｎｓｔｅａｄ　ｏｆ　ＰＩ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｗａｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ＤＴＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ＰＭＳＭ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｘｐｏｎｅｎｔ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｗｅｒｅ　ｂｕｉｈ．Ｔｈｅ　ｔｏｒｑｕｅ　ａｔ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｏｒｑｕｅ　ｒｉｐｐｌｅ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｎｏｉｓｅ　ａｒｅ　ｗｅａｋｅｎｅｄ　ａｎｄ　ｋｅｅｐ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ＤＴＣ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ＰＩ　ｒｅｇｕｌａｔｏｒ　［中图分类号】ＴＭ９２１．２［文献标识码】Ａ［文章编号】１０００．３８８６（２００７）０４．０００８．０３　

第３０卷第５期　２００７年５月　合肥工业大学学报（自然科学版）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＥＦＥＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏｌ＿３０　Ｎｏ．　Ｍａｙ　２００７　

永磁同步电机直接转矩控制系统的改进　

张　昱，　张　兴　

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥２３０００９）　

摘要：文章针对　口坐标系下的永磁同步电机模型，研究了永磁同步电机直接转矩控制方案，同时还分析了　零电压矢量在异步电机和永磁同步电机中的不同作用，构造了一种应用零电压矢量来减小转矩的新型电压　矢量开关表；并通过ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真软件，对永磁同步电机直接转矩控制系统进行建模；仿真结果表　明，正确的使用零电压矢量，可以有效降低转矩脉动，改善系统控制性能。　关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建模　中图分类号：ＴＭ３５１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—５０６０（２００７）０５—０５４６—０４　

Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＤＴＣ　ｏｆ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ—ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒｓ　

ＺＨＡＮＧ　Ｙｕ，　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉｎｇ　（Ｓｃｈｏ０ｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　（ＰＭＳＭ　ＤＴＣ）ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｄ－ｑ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ．Ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｚｅｒｏ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｙｎ—　

ｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍａｃｈｉｎｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍａｃｈｉｎｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ｓｗｉｔｃｈ．ｓｅｌｅｃｔ　ｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｄｅｃｒｅａ—　

／．、　工业控制，　永磁同步电动机的直接转矩控制　余仁波‘，赵修平。，金朝红　，张代国，　海革航空工程学院飞行器工程乐，　山东蝈台　２６４００１；２．海军工程大学电气与信息工程学院．　湖北武汉４３００３３　３，中国船舶总公司第７１３研究所．　河南部州　４５０ｏｌ５）　ｌ引言　近年米，　ｒＩｂ力电子技术世步、傲电　技术和现代　电机盟其控制理地的迅速发展，变漉电机调遣技术逐步或　熟起来．使得交流　速的静、动态特性接近麒至达到直流　建技术水平　其应用领域［Ｉ王越来越广泛．特则在船舶电　力推进系统方而．已经大量采用了交！＿｝ｃ电力推进　。。相：　各种推进电机当中．大功率永醴同步电动机【尤其屉横向　磁通永碰电机及轴向磁通永磁电机　的制造技术尚有很大　的研究。　发展空ｌ　．国外目前也述处于研发实验阶段　奉义的研究对象足三相永磁同步电动机．研究目的是计水　避同步电瑚机（ＰＭＳＭ）无位置传感器直接转矩控制　ｃＩ）ＴＣ）方法世行分析和探讨．在此基础上，提出　种基于　ＤＳＰ的一套敦宁化设讣方案，除舱测部分与功率电路部分　由硬件宴现外．　余功能由ＤＳＰ软件编程完成．　２三相永磁同步电动机的数学模型　首先建立■寸Ｈ　Ｊｌ三弦被永磁同步电动机的ｄ－ｑ坐标系数　学模型　伴基奉假１蛙如下　：　①忽略宅删谐波的影响．即认为气脒蹬场是按照ｚｌ－蟠　丹帮帕｛　②忽略铁心的饱和、满流的影响．　考庳磁滞损耗；　③忽略温度对电机参数的影响；　＠忽略齿措和通风槽的影响，即假没定子内丧　足光　滑曲　基于以】　假设并根据接尔霍走电压定律和法｛直第电　磁定律．对于绝大多数正幢波酬速康磁Ｉ司步电动机柬随，　转于上不存在阻皑绕组　电压、磁链和电磁转　疗程ｎＪ　稿¨　：　ｏ６一ｌＯ一０８　茼化为：　“Ｆ　Ⅷｍ　ｆ：１　Ｌ　＝￡　．．　（山　一　）　式就足简化了的永磁同步电机在转Ｆ旋转坐标系　（ｄ叫）　的数学模型，改模型可以通过坐标变换　变换到　其它坐标系下。　３直接转矩控制理论基础：“】　直接转矩控制系统是在定于坐标系下．直接．１算井　控制定　磁链和转矩的直接跟踪来实现系统的高动怎性　能　在矗接转矩控制系统中，电压空间失掇的概念　样　适用，它对屯机磁链的影响　磁链轨迹控制　ｌ１茫丰ｆ１州ｆ｝：】　■着的区别之处在于此处磁链足闭环拄制的．即通过椅　测电机的实际定子磁链幅值，球出其与磁链蛤定值之『日］　的谍莛，然后根据该瀑差信号决定膻泼选择使础链幅值　增大的电压宅问矢鞋．还是选扦使磷链幅值硪　、的电压　空间＊量　ｆ！¨图１昕永．定义定予磁链与转ｆ磁链的夹角为同　步也机的负载角８．在稳态情Ｉ兄下负载角对应ｌ耗｛应ｎ勺转矩　井保持恒定，定、转子避链李问矢量以同步转速同步旋　转；　暂态情况下．负载角变化．定、转Ｆ砬链矢量　旧的速度旋转　而且在忽略定子电舡的情Ｉ兕下定子谳　链矢量与电压，天量矗向相同，于是可　通过施加　间的　维普资讯 控制　电压矢量来控制定子磁链的速度，也即改变了定子磁链　的平均速度，以及定子磁链与转子磁链之间的夹角即负　载角来控制转矩。　图１　定、转子磁链在同步旋转Ｍ—Ｔ坐标下的矢量图　因此，同步电机直接转矩控制理论基础为：保持定子　磁链幅值不变的情况下，控制定、转子磁链之间夹角即可　以控制电机转矩。要获得快速的转矩响应应该快速改变转　矩角。在直接转矩控制中，既要限制定子磁链幅值，以保　证转矩变化与转矩角变化一致关系，又要限制电机最大转　矩的输出，使转矩角限制在最大转矩角范围之内，以保证　一定的过载能力下电机的稳定运行。图２即为永磁同步电　动机直接转矩控制系统结构框图。　图２　永磁同步电动机直接转矩控制系统框图　４控制系统硬件构成及软件设计　（１）系统硬件构成　控制系统的硬件部分主要包括驱动电路、检测电路、　保护电路、ＤＳＰ主控制模块等。整个控制系统分为三部　分：主系统部分（包括ＴＭＳ３２Ｏｆ２加７主控制芯片、存储　器、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换电路，计数器及其他外围电路接口），　ＩＰＭ驱动板和ＬＥＭ检测板，如图３所示。　（２）系统的软件设计　本系统的ＤＳＰ软件控制程序是用Ｃ语言编写的，程序　总的流程见图４，为实现控制的实时性，在程序中采用了　主程序　ｌ　系统初始化　ｌ　转予初始定位　ｌ　１　．　启动中断　Ｉ　中断等待　图３　控制系统硬件框图