摘 要：針對永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩脈動比較大的問題，研究直接轉(zhuǎn)矩的控制算法。通過對轉(zhuǎn)矩的脈動原因進行分析，設(shè)計滯環(huán)改進的矢量細分預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制算法，并通過仿真與傳統(tǒng)的控制算法進行對比，滯環(huán)改進的矢量細分預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制對磁鏈脈動的減小有很好的改善作用。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機；直接轉(zhuǎn)矩控制；轉(zhuǎn)矩脈動

基金項目：2017年重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目（項目編號：KJ1737460）

交流伺服控制系統(tǒng)的永磁同步電機因體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點廣泛應(yīng)用在電動車、鐵道牽引等領(lǐng)域[1]。在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩的控制中，主要通過滯環(huán)控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，由于在一個采樣周期內(nèi)只作用一個基本電壓矢量，因此對于數(shù)字實現(xiàn)的滯環(huán)控制器來講具有固定的采樣周期[2]，但是誤差超出滯環(huán)設(shè)置寬度并且當(dāng)前所選電壓矢量作用完一個采樣周期后，才會出現(xiàn)相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)進行切換。因此，減小直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩脈動對于交流伺服控制系統(tǒng)的研究具有十分重要的意義。

本文針對永磁同步電機傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制脈動較大的缺點，研究基于滯環(huán)改進的矢量細分直接轉(zhuǎn)矩控制算法，并進行仿真驗證。

1 控制系統(tǒng)時序分析及預(yù)測策略

直接轉(zhuǎn)矩控制過程中，通過某一時刻t的電壓和電流可以確定定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)DTC控制策略得到相應(yīng)的電壓矢量[3]。理想狀態(tài)下，電壓矢量即為t時刻電壓矢量，并在（t+1）時轉(zhuǎn)矩與磁鏈達到給定值。然而，釆樣過程及數(shù)學(xué)計算都會產(chǎn)生一定誤差，電壓矢量的期望值都會施加在一定的延遲之后，即（t+1）時施加，直到在（t+2）時轉(zhuǎn)矩與磁鏈才能夠達到給定值，轉(zhuǎn)矩與磁鏈的響應(yīng)總是滯后一個數(shù)據(jù)處理過程帶來的延遲時間，降低永磁同步電機的運行性能。針對以上控制策略可能出現(xiàn)的問題，本文采用一種基于預(yù)測方法[4]的直接轉(zhuǎn)矩控制策略?？筛鶕?jù)t時刻的電壓電流值推導(dǎo)出定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩值，結(jié)合永磁同步電機數(shù)學(xué)模型，預(yù)測得到（t+1）時刻的磁鏈與轉(zhuǎn)矩值，進而選出合適的電壓矢量，解決時間延遲帶來的轉(zhuǎn)矩與磁鏈脈動較大的問題。

2 轉(zhuǎn)矩和磁鏈的預(yù)測算法

2.1 基于滯環(huán)比較器的預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制

含零電壓矢量直接轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)方案中轉(zhuǎn)矩滯環(huán)輸出則有3種狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩給定與實際轉(zhuǎn)矩差值大于滯環(huán)寬度即Te*-Te>△Te，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)輸出τ=1，表示要求增大轉(zhuǎn)矩；當(dāng)轉(zhuǎn)矩給定與實際轉(zhuǎn)矩差值小于滯環(huán)寬度即Te*-Te<△Te，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)輸出τ=-1，表示要求減小轉(zhuǎn)矩；當(dāng)轉(zhuǎn)矩給定與實際轉(zhuǎn)矩差值的絕對值小于滯環(huán)寬度即|Te*-Te|<△Te，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)輸出τ=0，表示要求維持當(dāng)前轉(zhuǎn)矩不變。

2.2 基于矢量細分的預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制

傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制算法空間電壓矢量的選擇非常有限只有6個，容易造成轉(zhuǎn)矩的快速增加或減慢使得轉(zhuǎn)矩的脈動超過滯環(huán)寬度的設(shè)定值，使電機產(chǎn)生一定的噪聲或劇烈震蕩，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。矢量細分是將6個基本的空間電壓矢量細分為12個空間電壓矢量得到改進的開關(guān)表。為了方便電壓矢量的選擇，將整個空間分為扇區(qū)范圍為300的12個扇區(qū)，分別為θ1-θ12。

2.3 基于滯環(huán)改進的矢量細分直接轉(zhuǎn)矩控制

以上分別介紹了兩種直接轉(zhuǎn)矩控制方法的改進，即基于滯環(huán)比較器的改進方案和空間電壓矢量的改進，兩者的目的用于減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，如果將以上兩種改進方法結(jié)合起來作用于預(yù)測直接準據(jù)控制中可以更好的減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，使得電機控制的更加精確。

3 仿真結(jié)果分析

為了分析不同控制算法減小轉(zhuǎn)矩脈動的效果，對各預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制方法進行了Matlab建模仿真。仿真過程中的電機參數(shù)如表1所示。

3.1 預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制仿真

預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制需要對磁鏈和電流分別預(yù)測估算，為了觀察預(yù)測算法的改進效果，僅對磁鏈做了預(yù)測估算，取預(yù)測時間為10us。可以看出，電機的定子磁鏈基本在給定的0.24Wb上下波動，脈動幅度為±0.0025Wb。從電機的輸出轉(zhuǎn)矩來看，當(dāng)給定轉(zhuǎn)矩是2N·m的時候，轉(zhuǎn)矩在的值在1.1N·m-2.9N·m之間波動，波動幅度為±0.9N·m，對比傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動幅度減小了0.2N·m。

3.2 改進的預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制算法仿真

1）基于滯環(huán)比較器的改進的預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制仿真。將基于滯環(huán)比較器改進的算法作用在預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制中對其進行了仿真，從仿真結(jié)果來看，基于滯環(huán)改進的預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)速波形基本和之前預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制基本相同，但是轉(zhuǎn)矩脈動較預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制脈動有所減小，轉(zhuǎn)矩脈動幅度為±0.25N·m左右，減小了0.15N·m。磁鏈波形也有所改善，脈動范圍雖然變化不大，但是磁鏈超出滯環(huán)的部分的時間有所減少，平均值更加接近給定值。

2）基于矢量細分的預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制仿真。將基于矢量細分的直接轉(zhuǎn)矩控制作用在預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控控制模型上進行仿真，仿真結(jié)果圖1所示。矢量細分的預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)對比預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制脈動有所減小，脈動幅值為±0.35N·m左右，減小了0.05N·m，兩者磁鏈和轉(zhuǎn)速波形基本相同。

3）基于滯環(huán)改進的矢量細分預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩仿真。將預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制和兩種改進直接轉(zhuǎn)矩控制算法結(jié)合即基于滯環(huán)改進的矢量細分預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制。

采用基于滯環(huán)改進的矢量細分預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動幅度為僅為±0.2N·m左右，相比傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制±1.1N·m的脈動，已經(jīng)減小了很多，磁鏈脈動幅度為±0.002Wb，對比傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制減小了0.001Wb，轉(zhuǎn)速波形基本和之前一致。

4 結(jié)論

將不同控制算法的轉(zhuǎn)矩脈動振幅進行對比，采用磁鏈轉(zhuǎn)矩預(yù)測的預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩脈動為±0.4N·m左右，基于滯環(huán)改進的預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動為±0.25N·m左右，最后滯環(huán)改進的矢量細分預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩脈動僅為±0.2N·m左右，仿真結(jié)果表明，滯環(huán)改進的矢量細分預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制對磁鏈脈動的減小有很好的改善作用。

參考文獻

[1]趙玫，鄒繼斌.橫向磁通永磁直線電機研究與發(fā)展[J].電氣工程學(xué)報，2016，2：1-9.

[2]李杰，韓峻峰.基于SVPWM的電動汽車直接轉(zhuǎn)矩控制方法研究[J].機電工程，2014，7：898-902.

[3]年珩，萬中奇.永磁同步發(fā)電機的預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電力電子技術(shù)，2013，6：83-85.

[4]萬中奇.永磁同步發(fā)電機預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制策略研究[D].杭州：浙江大學(xué)電氣學(xué)院，2013，7-9.

作者簡介

黨嬌（1989-），女，陜西富平人，助教，碩士，主要從事智能檢測與控制研究方面的工作。