宣麗萍，李文龍

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

基于SVPWM的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

宣麗萍，李文龍

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

為解決永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問(wèn)題，采用將空間矢量脈寬調(diào)制與直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合的控制方法。SVPWM控制技術(shù)代替了傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)方式，不僅實(shí)現(xiàn)了電壓空間矢量的連續(xù)調(diào)節(jié)而且保證了定子磁鏈近似為圓形，有效地解決了常規(guī)DTC系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的問(wèn)題。仿真結(jié)果表明：所提出的控制方法可以在很大程度上降低磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。

永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩；空間適量脈寬調(diào)制

直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)[1]技術(shù)以其簡(jiǎn)明的控制結(jié)構(gòu)，快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和弱化的參數(shù)依賴(lài)性，一直以來(lái)是高性能電機(jī)控制策略的熱點(diǎn)研究問(wèn)題。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)首先成功應(yīng)用于異步電機(jī)，而后拓展至同步電機(jī)[2]。鑒于永磁同步電機(jī)優(yōu)異的性能，目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者致力于永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究，并取得了一定的研究成果。

但是在傳統(tǒng)的DTC控制系統(tǒng)中，基本矢量之間的切換是不連續(xù)的，因?yàn)橥ㄓ秒妷耗孀兤髦挥?個(gè)可用的基本空間矢量，而其中6個(gè)是非零的，并且每隔60°分配一個(gè)空間。在一個(gè)控制周期內(nèi)，只能選擇一個(gè)電壓空間矢量，不能調(diào)整方向并控制定子磁通的可調(diào)范圍，所以磁通和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是不可避免的[3]。

針對(duì)上述磁通和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的缺點(diǎn)，提出了SVM-DTC方法，SVPWM用于降低通量和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。在控制周期中，選擇兩個(gè)相鄰的非零電壓矢量和零矢量，并計(jì)算其動(dòng)作時(shí)間合成所需的電壓空間矢量，然后控制逆變器[4]。鑒于空間矢量調(diào)制技術(shù)在高性能矢量控制系統(tǒng)中優(yōu)良的控制性能，本文對(duì)SVPWM技術(shù)在最優(yōu)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的作用進(jìn)行了研究和實(shí)驗(yàn)。

1 PMSM的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)忽略電機(jī)的磁芯飽和、渦流損耗和磁滯損耗，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有阻尼繞組，以下方程式描述了α-β坐標(biāo)系中PMSM的數(shù)學(xué)模型：

uα=Rsiα+Lsdiα/dt-ωrψfsinθ

uβ=Rsiβ+Lsdiβ/dt-ωrψfsinθ

式中：uα、uβ、iα、iβ為α-β坐標(biāo)系中的定子電壓和電流分量；Rs為電阻、Ls為電感；ψf為磁通量；ωr為轉(zhuǎn)子角速度和位置。P為微分算子，P=d/dt。

2 空間矢量脈寬調(diào)制

SVPWM將逆變器和交流電機(jī)視為一個(gè)整體觀念，為電機(jī)提供恒定振幅的圓形磁場(chǎng)。根據(jù)三相對(duì)稱(chēng)正弦電壓產(chǎn)生的理想磁通圓，使用逆變器不同開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的有效電壓矢量近似標(biāo)準(zhǔn)磁通圓[5]。

2.1 扇區(qū)判斷

定義以下變量

Uref1=Uβ

那么扇區(qū)N可以由下式得到

N=signUref1+2signUref2+4signUref3

式中：sign(x)是符號(hào)函數(shù)。N和扇區(qū)號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 N與扇區(qū)號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 計(jì)算動(dòng)作時(shí)間

當(dāng)電壓矢量在不同扇區(qū)時(shí)，每個(gè)逆變器開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間不同，如表2所示。

表2 T1和T2在不同扇區(qū)作用的時(shí)間

2.3 電壓矢量開(kāi)關(guān)點(diǎn)的計(jì)算

定義以下變量：

Ta=(T-T1-T2)/4

Tb=Ta-T1/2

Tc=Tb+T2/2

根據(jù)表3分配Tcm1，Tcm2和Tcm3，其中Tcm1,Tcm2和Tcm3分別定義為A，B和C相的導(dǎo)通時(shí)間。將開(kāi)關(guān)點(diǎn)的計(jì)算值與三角波進(jìn)行比較，可以得到SVPWM的輸出時(shí)間，如表3所示。

表3切換點(diǎn)的計(jì)算

Table3Calculationofswitchingpoint

扇區(qū)號(hào)Tcm1Tcm2Tcm31TbTaTc2TaTcTb3TaTbTc4TcTbTa5TcTaTb6TbTcTa

3 空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制

在傳統(tǒng)的DTC系統(tǒng)中，磁通振幅ψs(k)和相位角θ(k)可以通過(guò)CLARK變換在α-β坐標(biāo)系中計(jì)算，并在定子電壓和電流采樣之后進(jìn)行一些數(shù)學(xué)運(yùn)算[6]。在控制周期后，磁通振幅變?yōu)棣譻(k+1)，相位角變?yōu)棣?k+1)。θ(k)與θ(k+1)之間的夾角為Δθ，如圖1所示。

圖1 SVM-DTC系統(tǒng)中的磁通矢量

將ψs(k+1)和ψs(k)之間的通量差定義為ψref，也就是說(shuō)，ψref=ψs(k+1)-ψs(k)。

圖2 SVM-DTC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)

ψref=ψ2(k+1)-ψs(k)=us(k)Ts-Rsis(k)Ts

因此

(2)

將等式(1)帶入等式(2)中，可以獲得等式

4 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證SVM-DTC仿真模型的有效性和可行性，在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型。將PMSM的參數(shù)設(shè)置為極對(duì)np=2；定子電阻Rs=18.7 Ω；永久磁鐵ψs=0.171 7 Wb；電感Ld=Lq=26.82 mH；給定轉(zhuǎn)速n*=1 000 r/min，仿真時(shí)間為0.2 s。初始時(shí)刻負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=1.5 N·m，在t=0.1 s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=2.5 N·m，仿真結(jié)果如圖3～6所示。比較圖4和圖6，當(dāng)電機(jī)從零速上升到給定轉(zhuǎn)速1000 r/min時(shí)，雖然開(kāi)始時(shí)圖4和圖6電機(jī)轉(zhuǎn)速有一定超調(diào)量，但圖6仍然具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。比較圖3和圖5，當(dāng)負(fù)載在t=0.1 s發(fā)生突變時(shí)，圖5轉(zhuǎn)矩能夠迅速響應(yīng)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很小，而圖3中電磁轉(zhuǎn)矩Te的波動(dòng)較大。因此可以得出，采用傳統(tǒng)DTC控制方法控制效果較差,在穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)相對(duì)較大，而采用SVM一DTC控制時(shí),穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大大減小，由此可驗(yàn)證SVM一DTC控制策略在減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)上有顯著的優(yōu)勢(shì)。

圖3 電機(jī)常規(guī)DTC的轉(zhuǎn)矩

圖4 電機(jī)常規(guī)DTC的轉(zhuǎn)速

圖5 電機(jī)SVM-DTC的轉(zhuǎn)矩

圖6 電機(jī)SVM-DTC的轉(zhuǎn)速

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了PMSM的新型直接轉(zhuǎn)矩控制算法。通過(guò)使用SVPWM，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能優(yōu)于PMSM的常規(guī)DTC控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，與常規(guī)DTC相比，SVM-DTC可以有效降低磁通和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和更低的電流諧波。

所以SVM-DTC是可行的，更有效的，具有更好的應(yīng)用前景。

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PMSM DTC system based on SVPWM

XUAN Liping,LI Wenlong

(School of Electrical Control Engineering,Heilongjiang University of Science And Technology,Harbin 150022,China)

In order to solve the problems of flux linkage and torque ripple in PMSM DTC system, a control method combining space vector pulse width modulation and direct torque control is adopted. SVPWM control technology replaces the traditional switch table method, which not only achieves the continuous adjustment of the voltage space vector, but also ensures that the stator flux linkage is approximately circular as well as effectively solving the problem of conventional DTC system electromagnetic torque ripple. The simulation results show that the proposed control method can reduce the flux linkage and torque ripple to a great extent, and the system has better dynamic and static performances.

PMSM; direct torque; space suitable pulse width modulation

2017-05-25。

宣麗萍(1971—)，女，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

TM301.2

A

2095-6843(2017)05-0407-04

(編輯陳銀娥)