惠而浦（中國(guó)）股份有限公司 魏世民 童懷俊 陳 功 任 飛

一種基于滑?？刂频挠来磐诫姍C(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法

惠而浦（中國(guó)）股份有限公司 魏世民 童懷俊 陳 功 任 飛

本文提出了用于永磁同步電機(jī)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制方案，并介紹了傳統(tǒng)滯環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了改進(jìn)控制方案，改進(jìn)控制方案使用二階滑模直接轉(zhuǎn)矩控制方案，從而解決了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中存在的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)較大、逆變器開關(guān)頻率不恒定等問題。

永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；滑?？刂疲籑atlab

0 引言

直接轉(zhuǎn)矩控制（ direct torque control ）簡(jiǎn)稱DTC，DTC是近年來繼矢量控制控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型的具有高性能的變頻調(diào)速技術(shù)，有別于 FOC 通過對(duì)電流的控制來間接實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制，直接轉(zhuǎn)矩控制通過對(duì)定子磁鏈的控制來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。它不須要繁雜的坐標(biāo)變換，在電機(jī)定子參考系中，定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的大小可以直接進(jìn)行估算，并根據(jù)對(duì)定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的直接跟隨來實(shí)現(xiàn)PWM 脈寬調(diào)制系統(tǒng)優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，直接轉(zhuǎn)矩控制直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，有更好的動(dòng)態(tài)性能，

1 直接轉(zhuǎn)矩控制有以下優(yōu)點(diǎn)

（1）避免了大量的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換計(jì)算，大大提高了運(yùn)行效率，大大提升了運(yùn)算速度；

（2）構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本少且響應(yīng)迅速；

（3）DTC直接控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，他追求的是控制的速度性和準(zhǔn)確性，而不像FOC控制那樣，通過控制定子電流的兩個(gè)分量來間接控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。

（4）DTC采用空間電壓矢量，將逆變器和控制策略進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

（5）魯棒性好。

2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

對(duì)于面貼式三相pmsm 的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式可以表示為電壓方程如下：

磁鏈方程如下：

轉(zhuǎn)矩方程如下：

其中Pn為電機(jī)級(jí)對(duì)數(shù)。

4 傳統(tǒng)DTC控制

傳統(tǒng)DTC利用兩個(gè)滯環(huán)控制器分別對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈幅值進(jìn)行控制，響應(yīng)快，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的攝動(dòng)和對(duì)外干擾的魯棒性強(qiáng)，但存在較大的磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，逆變開關(guān)頻率不恒定，低速時(shí)系統(tǒng)難以精確控制，以及因轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的高頻噪音等問題。傳統(tǒng)DTC中磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大是因?yàn)槟孀兤鞯膶?shí)際開關(guān)頻率不夠高導(dǎo)致的，從而導(dǎo)致一個(gè)數(shù)字控制周期中所選用的有效電壓矢量無法與期望的電壓矢量一致，針對(duì)這些問題本文提出了一種基于滑膜控制的DTC，從而解決了傳統(tǒng)DTC控制存在的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)較大、逆變器開關(guān)頻率不恒定等問題。

5 一種基于滑膜控制的DTC

圖3 轉(zhuǎn)速的變化曲線

圖4 電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線

圖5 實(shí)際磁鏈的變化曲線

圖6 三相電流變化曲線

高階滑?？刂评碚摰暮?jiǎn)介，滑?？刂埔云錁?gòu)造簡(jiǎn)單、 對(duì)內(nèi)部參數(shù)以及外部干擾都不敏感的優(yōu)異魯棒性從而獲得了廣泛運(yùn)用。高階滑模控制的思想最先是由艾瑞·萊溫特提出的，他還系統(tǒng)的推導(dǎo)出了幾種二階滑模控制算法，同時(shí)對(duì)這幾種控制算法的控制精度進(jìn)行了估量。這種算法的提出對(duì)于高階滑模理論研究及其應(yīng)用的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推進(jìn)作用。本章所運(yùn)用的滑模算法是高階滑模中的一種，同時(shí)根據(jù)此算法設(shè)計(jì)了磁鏈控制器和轉(zhuǎn)矩控制器，并將它們結(jié)合到永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)中。

二階滑模的直接轉(zhuǎn)矩控制：

在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q下，面貼式三相PMSM的數(shù)學(xué)模式表達(dá)式為：

此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩Te的表達(dá)式為

其中Pn為電機(jī)級(jí)對(duì)數(shù)。

磁鏈可以表達(dá)為反電動(dòng)勢(shì)的積分方程：

為了獲得磁鏈控制器的表達(dá)式，定義磁鏈的滑模面函數(shù)為：

根據(jù)二階滑模理論磁鏈控制可以由以下兩個(gè)公式設(shè)計(jì)：

以上式中的Kp和Ki為增益量

假設(shè)定子磁鏈值的大小為常數(shù)，此時(shí)轉(zhuǎn)矩Te的微分方程可表達(dá)為：

為了獲得磁鏈控制器的表達(dá)式，定義磁鏈的滑模面函數(shù)為：

根據(jù)二階滑模理論轉(zhuǎn)矩控制可以由以下兩個(gè)公式設(shè)計(jì)：

以上兩式中，增量KpKi滿足穩(wěn)定性條件。

當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)r=0.5時(shí)，基于滑膜控制的磁鏈控制實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)r=0.5時(shí)，基于滑膜控制的磁鏈控制實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

6 通過Matlab建模仿真

通過Matlab建立模型仿真，設(shè)置目標(biāo)洗滌轉(zhuǎn)速50r/min，在時(shí)間t=0.21s時(shí)突然加轉(zhuǎn)矩T =1.45N*m，

仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

仿真結(jié)果分析：從仿真結(jié)果看當(dāng)電機(jī)從零速上升到參考轉(zhuǎn)速50r/min時(shí)，雖然開始時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有一些超調(diào)，但任然具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，并且在t=0.21s時(shí)突然加負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=1.5N*m，電機(jī)可以快速的恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速。本方案與其他測(cè)試方案比較電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值較小，說明所設(shè)計(jì)的控制權(quán)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力，能夠滿足實(shí)際電機(jī)控制的性能要求。

[1]Cristian Lascu,Ion Boldea Super-twisting sliding mode control of torque and flux in permanent magnet synchronous machine drives[c]//39th Annual conference of the IEEE Industrial Electronics Society,2013:3171-3176.

[2]馮江華,許峻峰.永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)新方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào).2006,26(13):151-157.

Direct torque control of permanent magnet synchronous motor based on sliding mode control

Wei ShiMin，Tong HuaiJun, Chen Gong，Ren Fei
(Whirlpool China Co., Ltd. , 230088)

In this paper, a direct torque control scheme for permanent magnet synchronous motor (PMSM) is proposed, and the advantages and disadvantages of traditional hysteresis control are introduced. The improved control scheme is proposed, and the second-order slip-mode direct torque control scheme is used to improve the control scheme. Which solves the problems of large torque ripple and fux ripple in the traditional direct torque control and the inverter switching frequency is not constant.

PMSM, DTC,SMC,Matlab

魏世民（1984-），男，山西忻州人，現(xiàn)為惠而浦（中國(guó)）股份有限公司技術(shù)人員，從事洗衣機(jī)控制器的研究與設(shè)計(jì)。