呂帥帥　林　輝　李兵強(qiáng)

(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院　西安　710129)

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開(kāi)關(guān)頻率恒定與占空比調(diào)制相結(jié)合的PMSM-DTC控制

呂帥帥林輝李兵強(qiáng)

(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院西安710129)

針對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈脈動(dòng)大以及開(kāi)關(guān)頻率不恒定等問(wèn)題，提出一種基于簡(jiǎn)單占空比的開(kāi)關(guān)頻率恒定永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制。分析了電壓矢量在不同轉(zhuǎn)速和定子磁鏈位置對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的影響，并設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的占空比計(jì)算方式。PWM調(diào)制采用矢量控制的思想，使得逆變器開(kāi)關(guān)頻率恒定。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效減少轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)，保證逆變器的開(kāi)關(guān)頻率恒定，控制簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能好，魯棒性強(qiáng)。

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制簡(jiǎn)單占空比轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制開(kāi)關(guān)頻率恒定

0　引言

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有高功率密度、高可靠性以及高效率等優(yōu)點(diǎn)，在伺服應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。PMSM最常用的方法是磁場(chǎng)定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)，磁場(chǎng)定向控制由于矢量旋轉(zhuǎn)變換和解耦的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果[4]。直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性能好以及對(duì)電機(jī)參數(shù)攝動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛研究和應(yīng)用[5-7]。DTC采用滯環(huán)比較器，通過(guò)查表的方式來(lái)獲得控制電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的電壓矢量。但DTC存在兩個(gè)嚴(yán)重的缺陷：①電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)大；②逆變器開(kāi)關(guān)頻率不恒定。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響傳統(tǒng)DTC在高精度伺服場(chǎng)合的應(yīng)用，而開(kāi)關(guān)頻率不恒定會(huì)導(dǎo)致逆變器利用不充分以及相電流含有不同階次諧波等問(wèn)題[8]。

為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了諸多改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制方案。文獻(xiàn)[9]針對(duì)異步電機(jī)提出了一種扇區(qū)十二細(xì)分的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，重新分配電壓矢量選擇表，但該方法仍只有8個(gè)可選電壓矢量，轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)抑制效果有限。文獻(xiàn)[10，11]提出了一種模型預(yù)測(cè)直接轉(zhuǎn)矩控制策略，通過(guò)PMSM的狀態(tài)空間模型在線預(yù)測(cè)電機(jī)狀態(tài)，通過(guò)代價(jià)函數(shù)選擇合適的電壓矢量，使轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差保持在一定范圍內(nèi)，采用不同的代價(jià)函數(shù)能夠獲得不同的控制目標(biāo)，但預(yù)測(cè)計(jì)算過(guò)程實(shí)時(shí)計(jì)算量大，涉及過(guò)多的電機(jī)參數(shù)，在實(shí)際工程中難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[12，13]提出了一種基于空間矢量調(diào)制(Space Vector Modulation，SVM)的直接轉(zhuǎn)矩控制，DTC-SVM方法一般計(jì)算量大，計(jì)算過(guò)程與電機(jī)參數(shù)息息相關(guān)，喪失了傳統(tǒng)DTC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和對(duì)參數(shù)魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

占空比控制技術(shù)是一種有效降低轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)的有效方法，其核心思想是在每個(gè)控制周期內(nèi)，有效電壓矢量?jī)H作用一部分時(shí)間，剩余的時(shí)間施加零電壓矢量[14-16]。與DTC-SVM方法相比，控制器的計(jì)算量和復(fù)雜性大大降低。對(duì)于有效電壓矢量作用時(shí)間的確定，最有代表性的方法有3種[14]：①轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最??；②平均轉(zhuǎn)矩最小；③無(wú)差拍控制。這3種方法是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩誤差計(jì)算，得到使轉(zhuǎn)矩誤差最小的作用時(shí)間，但存在計(jì)算量大以及對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴嚴(yán)重等問(wèn)題。另外，文獻(xiàn)[14]通過(guò)模糊邏輯自適應(yīng)控制來(lái)獲得占空比，該方法易實(shí)現(xiàn)，但缺少理論支持。文獻(xiàn)[16]針對(duì)異步電機(jī)提出了一種簡(jiǎn)單占空比的確定方法，占空比的確定僅與轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差有關(guān)，消除了對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴，但對(duì)轉(zhuǎn)速變化的魯棒性較差。

在已有占空比控制的直接轉(zhuǎn)矩控制方法中，往往從降低轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)的角度分析，忽略了逆變器開(kāi)關(guān)頻率不恒定的問(wèn)題。對(duì)于大功率電機(jī)來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)頻率不恒定會(huì)造成相電流和相電壓發(fā)生畸變，產(chǎn)生難以抑制的電磁干擾[17]。

本文提出了一種開(kāi)關(guān)頻率恒定和占空比相結(jié)合的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制。首先分析了電壓矢量在不同負(fù)載、轉(zhuǎn)速和定子磁鏈角的條件下，對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈變化的影響，考慮轉(zhuǎn)矩誤差和轉(zhuǎn)速對(duì)占空比的影響，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單占空比的計(jì)算方法，結(jié)合矢量控制逆變器PWM調(diào)制方式，使逆變器開(kāi)關(guān)頻率保持恒定。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法占空比計(jì)算簡(jiǎn)單有效，有效降低了轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)，且逆變器開(kāi)關(guān)頻率恒定。

1　電壓矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的影響

在兩相靜止αβ坐標(biāo)系下，PMSM的空間矢量方程為[12]

(1)

ψs=Lsis+ψf

(2)

(3)

式中，us為定子電壓，us=[uα,uβ]T；Rs為定子電阻；is為定子電流，is=[iα,iβ]T； ψs為定子磁鏈，ψs=[ψα,ψβ]T； ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈；Ls為定子電感；np為極對(duì)數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩求導(dǎo)可得

(4)

由式(1)和式(2)可得電流和磁鏈的導(dǎo)數(shù)為

(5)

(6)

將式(5)和式(6)代入式(4)，化簡(jiǎn)可得

=TeI+TeII+TeIII

(7)

由式(7)可看出，轉(zhuǎn)矩的變化受3個(gè)因素影響，其中TeI僅與所選擇的電壓矢量有關(guān)，TeII和TeIII分別與轉(zhuǎn)速和前一時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩有關(guān)，其作用是使轉(zhuǎn)矩減小。

圖1為永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈在額定條件(額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)載)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電壓矢量作用下的電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈變化率，電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1?？煽闯?，零電壓矢量對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的作用均是使其減小，變化率分別為-2 Wb/s和-16 726 N·m/s。有效電壓矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的影響與定子磁鏈位置有關(guān)，定子磁鏈在不同位置，作用效果不同。由圖1b可知，最大轉(zhuǎn)矩變化率為27 122 N·m/s，最小轉(zhuǎn)矩變化率為-60 575 N·m/s，在額定條件下，轉(zhuǎn)矩減小的變化率是轉(zhuǎn)矩增大變化率的兩倍多，即電磁轉(zhuǎn)矩增加和減少不對(duì)稱，這是傳統(tǒng)DTC存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的一個(gè)原因。零電壓矢量的作用不受定子磁鏈角的影響，合理利用零電壓矢量能有效降低轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)[18]。

圖1　轉(zhuǎn)矩和磁鏈的變化率Fig.1　The rate of torque and stator flux variation表1　永磁同步電機(jī)參數(shù)Tab.1　Parameters of the PMSM

參數(shù)數(shù)值直流母線電壓VDC/V300定子電阻Rs/Ω1.73定子電感Ls/mH8.5轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈ψf/Wb0.1426額定轉(zhuǎn)速ωN/(r·min-1)3000額定轉(zhuǎn)矩Te/(N·m)4.77極對(duì)數(shù)np5轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J/(kg·m2)0.0006

圖2為定子磁鏈在第一扇區(qū)，在不同負(fù)載和轉(zhuǎn)速的條件下，電壓矢量u2(110)和u3(010)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響。圖2a是在空載條件下，轉(zhuǎn)速為10%的額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速兩種工況下的轉(zhuǎn)矩變化曲線，可看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，受反電動(dòng)勢(shì)的影響，轉(zhuǎn)矩的變化量減小。圖2b是在額定負(fù)載條件下轉(zhuǎn)矩的增加曲線，與圖2a相比，可看出負(fù)載越大，轉(zhuǎn)矩的變化有所減小，但轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)矩變化的影響遠(yuǎn)大于負(fù)載的影響。另外，定子磁鏈角在(-30°，-10°)范圍內(nèi)時(shí)，使轉(zhuǎn)矩增加的電壓矢量u3(010)反而會(huì)減小轉(zhuǎn)矩，與期望轉(zhuǎn)矩變化相反，產(chǎn)生不合理轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這是傳統(tǒng)DTC轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的另外一個(gè)原因。

圖2　不同條件下的轉(zhuǎn)矩變化Fig.2　Torque variation at different conditions

2　簡(jiǎn)單占空比的計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[13]的思想，采用轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小的方法計(jì)算占空比時(shí)，有

(8)式中，Ts為采樣周期；Te為施加電壓矢量后的第(k+1)Ts時(shí)刻對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值，求得使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小時(shí)有效電壓矢量的導(dǎo)通時(shí)間為

(9)

式中，T0為kTs時(shí)刻對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值；f1和f2分別為有效電壓矢量和零電壓矢量所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩變化率，根據(jù)式(7)可知

(10)

在忽略定子電阻引起的轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，根據(jù)圖2和式(7)可看出，忽略負(fù)載影響，轉(zhuǎn)矩的變化率與轉(zhuǎn)速呈比例關(guān)系，有效電壓矢量和零電壓矢量作用下轉(zhuǎn)矩的變化率為

(11)

(12)

式中，f0為有效電壓矢量在零轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩變化率；f1a為有效電壓矢量在額定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩變化率，由于電阻引起的轉(zhuǎn)矩變化相對(duì)較小，忽略電阻引起的轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，有

(13)

則對(duì)于任意的角速度ωr，有

(14)

將式(14)代入式(9)，整理可得

(15)

(16)

式中，如果d>1，則d=1，如果d<0，則d=0。

由圖2和式(13)計(jì)算可得

(17)

采樣時(shí)間取100 μs，則Ka和Kb的取值分別為

(18)

式中，θ為定子磁鏈角度；N為選擇的電壓矢量，N=1,…,6。 結(jié)合式(16)和式(18)可計(jì)算出占空比的值。

3　開(kāi)關(guān)頻率恒定的PWM調(diào)制方式

為了減小逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，一般情況下零電壓矢量選擇和矢量的切換方式如圖3所示[19]。

圖3　占空比電壓矢量切換順序Fig.3　The voltage vector switches sequence of duty control

圖3中的電壓矢量切換順序雖然減小了逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，但開(kāi)關(guān)頻率依然不恒定。

分析矢量控制發(fā)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)頻率恒定的原因是在每個(gè)控制周期，逆變器功率管均會(huì)導(dǎo)通關(guān)斷一次?；谶@種思想，以選擇有效電壓矢量u2(110)為例，構(gòu)造有效電壓矢量和兩個(gè)零電壓矢量組合的PWM調(diào)制方式如圖4所示。選取變量ta、tb定義如下

(19)

圖4　PWM調(diào)制輸出方式Fig.4　The logic of PWM modulation

對(duì)于比較器的值Ta、Tb、Tc和有效電壓矢量的關(guān)系如表2所示。

表2　電壓矢量與比較器值的關(guān)系Tab.2　The relationship between voltage vector and the value of comparator

根據(jù)DTC方法得到的電壓矢量和式(16)計(jì)算的占空比，查表2得到的值賦給比較器，則可調(diào)制輸出控制與矢量控制類似的PWM。

4　仿真和實(shí)驗(yàn)研究

4.1仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文提出方法的有效性，在Matlab/Simulink平臺(tái)上進(jìn)行仿真研究，仿真實(shí)驗(yàn)用電機(jī)參數(shù)與表1中相同，仿真時(shí)開(kāi)關(guān)頻率最大為10 kHz，采樣時(shí)間為100 μs，轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)寬度分別為0.005 N·m和5×10-5Wb，仿真結(jié)構(gòu)控制框圖如圖5所示。

圖5　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5　Block diagram of the proposed DTC system

DTC方法和本文方法的仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。為了對(duì)動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行對(duì)比，仿真時(shí)轉(zhuǎn)速在0～0.5 s為300 r/min，0.5～1 s為3 000 r/min；負(fù)載在0～0.2 s為額定負(fù)載為4.77 N·m，0.2～0.7 s負(fù)載減小到2.39 N·m，0.7～1 s負(fù)載變?yōu)?.77 N·m。

圖6　傳統(tǒng)DTC方法仿真結(jié)果Fig.6　The simulation results of traditional DTC

圖7　改進(jìn)DTC方法仿真結(jié)果Fig.7　The simulation results of improved DTC

從轉(zhuǎn)速響應(yīng)可看出，本文方法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與傳統(tǒng)DTC方法基本相同。在低轉(zhuǎn)速300 r/min條件下，傳統(tǒng)DTC方法的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)明顯較大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)達(dá)到2.5 N·m，本文方法在低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為0.3 N·m，明顯改善了傳統(tǒng)DTC方法在低速條件下的電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)性能。

圖7中，0～0.5 s低速運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)載力矩從額定轉(zhuǎn)矩降低到0.5倍額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，占空比僅從3%降低到1%左右，表明負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)占空比影響較小，該結(jié)果與圖2的理論分析相對(duì)應(yīng)。

0.5 s時(shí)，轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min突變到3 000 r/min，從占空比結(jié)果可看出，隨著轉(zhuǎn)速逐漸提高，占空比逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)，占空比恒定在85%左右，與傳統(tǒng)DTC方法相比，轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)抑制效果有所下降，這是由于隨著轉(zhuǎn)速的提高，不合理轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響較大，因此脈動(dòng)抑制效果不明顯。傳統(tǒng)DTC方法的轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min上升到3 000 r/min的時(shí)間為0.1 s，本文方法所用時(shí)間為0.14 s，轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)性能有所下降。因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的提高，盡管占空比也在增加，但電磁轉(zhuǎn)矩仍逐漸減小，造成轉(zhuǎn)速上升時(shí)間增加。

圖8分別為傳統(tǒng)DTC方法和改進(jìn)簡(jiǎn)單占空比DTC方法在低轉(zhuǎn)速條件下，圖6和圖7中10～15 ms期間PWM輸出波形，可看出改進(jìn)簡(jiǎn)單占空比DTC方法所產(chǎn)生的PWM波形使逆變器開(kāi)關(guān)頻率基本恒定，而傳統(tǒng)DTC方法的逆變器開(kāi)關(guān)頻率變化較大。

圖8　PWM波形Fig.8　The waveform of PWM

圖9為傳統(tǒng)DTC方法和本文方法的A相電流在0～0.2 s的仿真波形，可看出改進(jìn)簡(jiǎn)單占空比方法的相電流脈動(dòng)明顯減小，諧波含量明顯降低。

圖9　A相穩(wěn)態(tài)電流仿真結(jié)果Fig.9　The simulation results of A phase steady current

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可行性，以DSP TMS320F2812芯片為控制核心，驅(qū)動(dòng)和逆變器模塊采用智能IPM模塊(PM75RLA120)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行研究，電機(jī)參數(shù)與表1中相同。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種實(shí)驗(yàn)，為驗(yàn)證本文改進(jìn)方法的性能，做3組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比：①傳統(tǒng)DTC方法；②文獻(xiàn)[14]采用有效值方法計(jì)算占空比的控制策略；③本文的占空比控制策略，3種方法依次稱為DTC方法、DTC1方法和DTC2方法。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在DSP內(nèi)部的RAM中，實(shí)驗(yàn)后通過(guò)DSP仿真器將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出，然后用于Matlab繪圖。

動(dòng)態(tài)性能驗(yàn)證時(shí)給定方波轉(zhuǎn)矩，方波頻率為2 Hz，幅值為3 N·m。定義轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為最大誤差與參考值之比的絕對(duì)值，結(jié)果如圖10所示。

圖10　動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10　The experimental dynamic results of torque

從圖10中可看出，DTC方法的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)達(dá)到50%，磁鏈脈動(dòng)達(dá)到25%；DTC1方法轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈脈動(dòng)分別為17%和8%；DTC2方法的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)僅有10%，磁鏈脈動(dòng)在5%以下，3種方案具有相同的動(dòng)態(tài)性能，表明本文方法能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈脈動(dòng)，動(dòng)態(tài)性能較好。

圖11為電機(jī)分別在低轉(zhuǎn)速300 r/min，負(fù)載為恒定負(fù)載條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可看出，在低轉(zhuǎn)速條件下，DTC2方法控制精確度均優(yōu)于DTC方法和DTC1方法，而DTC1方法比DTC方法精確度高，從占空比輸出結(jié)果可看出，一個(gè)控制周期中有效電壓矢量的作用時(shí)間僅占整個(gè)控制周期的10%，間接說(shuō)明了DTC方法存在較大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因，控制周期越長(zhǎng)，產(chǎn)生的脈動(dòng)越大。

圖11　低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11　The experimental steady results with low speed

圖12為穩(wěn)態(tài)條件下A相電流的波形，可看出傳統(tǒng)DTC方法的相電流諧波含量高，正弦波發(fā)生畸變；DTC1方法的相電流正弦波較好，但電流中仍含有階次不定的諧波；DTC2方法的相電流畸變最小，諧波含量少。與仿真結(jié)果相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度有所降低，但基本一致。

圖12　A相穩(wěn)態(tài)電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.12　The experimental results of A phase steady current

將DTC、DTC1、DTC2三種方法的性能進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

從表3中可看出，在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、磁鏈脈動(dòng)、開(kāi)關(guān)頻率方面，DTC2方法獲得最優(yōu)性能，在計(jì)算量和參數(shù)敏感度方面，DTC2方法較為適中。

表3　性能比較Tab.3　Overview of comparison results

5　結(jié)　論

為解決直接轉(zhuǎn)矩控制中存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈脈動(dòng)大以及開(kāi)關(guān)頻率不恒定等問(wèn)題，本文提出了一種開(kāi)關(guān)頻率恒定的占空比控制直接轉(zhuǎn)矩控制。對(duì)8個(gè)電壓矢量在不同條件下對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的影響進(jìn)行了定量分析，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的占空比計(jì)算方法。PWM調(diào)制輸出采用矢量控制思想，保證了逆變器的開(kāi)關(guān)頻率恒定。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)性能好，能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈脈動(dòng)，無(wú)需增加硬件，便于工程實(shí)現(xiàn)。

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Direct Torque Control Based on Simple Duty Ratio and Fixed Switching Frequency for PMSM

Lü ShuaishuaiLin HuiLi Bingqiang

(School of AutomationNorthwestern Polytechnical UniversityXi’an710129China)

In order to overcome the problems of large torque，flux ripples，and variable switching frequency existing in the direct torque control (DTC) for the permanent magnet synchronous motors (PMSM)，an improved direct torque control strategy with a fixed switching frequency based on the simple duty ratio is proposed.The influence of the voltage vector on the torque and the flux with different angular velocities and stator flux positions is analyzed.A simple calculation of the duty cycle is then designed.The PWM modulation is generated based on the vector control (VC) to ensure the fixed switch frequency of the inverter.Simulation and experimental results validate that the proposed method is simple and robust，can diminish the torque and flux turbulence effectively，ensure the fixed switch frequency，and has better dynamic performances.

Permanent magnet synchronous motor，direct torque control，simple duty ratio，torque ripple suppression，fixed switching frequency

2015-06-04改稿日期2015-11-30

TM351

呂帥帥男，1986年生，博士研究生，研究方向?yàn)榻涣麟姍C(jī)高精度伺服控制。

E-mail：lvshuai986@163.com(通信作者)

林輝男，1957年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)伺服控制理論、多電飛機(jī)作動(dòng)系統(tǒng)、迭代學(xué)習(xí)。

E-mail：linhui@nwpu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金(51407143)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20136102120049)、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014JQ7264)、陜西省微特電機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2013SSJ10022)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(3102014JCQ01066)資助。