摘要：傳統(tǒng)的永磁同步電機直接轉矩控制，轉矩和磁鏈脈動較大，開關頻率總在變化。為此，對面貼式永磁同步電機，本文提出一種新的直接轉矩控制方法，融合空間矢量調制，變比例轉矩調節(jié)及基于旋轉電動勢的參考電壓矢量生成模型。推導出轉矩調節(jié)器的比例系數(shù)隨實際轉矩變化的模型和新的旋轉電動勢參考電壓矢量模型，建立了仿真和實驗系統(tǒng)。實驗結果
表明該方法電流脈動小，全調速范圍內轉矩脈動小，跟蹤快速和抗擾性能好。
關鍵詞：永磁同步電機,直接轉矩控制,空間矢量調制,反電勢,開關頻率
Abstract：The classical direct torque control (DTC) for permanent magnet synchronous motor (PMSM) has somedrawbacks of more torque/flux ripples, and variable switching frequency. On the basis of an analysis of surface mounted PMSM,a novel DTC method combining space vector modulation (SVM) technique, a torque regulator with variable proportionalcoefficient, and a reference voltage generator with the compensation of rotating electromotive force (EMF) is proposed in thepaper so as to solve the above problems. It is derived that the proportion coefficient of the torque regulator will changewith theactual torque. And the EMF compensation principle is given. Its simulation model and experiment system were built up. Theexperiment results show that it has the advantages of the small current distortion, low torque ripple in full region, rapid responsewith changes of input and good anti-interference performance.
Keywords：PMSM; DTC; SVM; EMF; Switching Frequency
1. 引言
1977年，A. B. Piunkett 首次提出直接轉矩控制(DTC)的思想，1985年由德國魯爾大學的Depenbrock教授首次取得實際應用的成功。1997年，L. Zhong, M.F.Rahman 和W. Hu等人首次把直接轉矩控制與永磁同步電機結合起來，成功實現(xiàn)了永磁同步電機DTC控制[4]。這種DTC按照一定規(guī)則從預先制定的開關表中選取電壓空間矢量對電機的磁鏈和轉矩進行Bang-Bang控制[3]，他幾乎不依賴于電機參數(shù)。然而，傳統(tǒng)的基于開關表的DTC方法，轉矩和磁鏈脈動較大，開關頻率不固定。
一種改進方法是將SVM和DTC結合起來，稱為DTC-SVM。不同于傳統(tǒng)開關表DTC方法電壓矢量數(shù)量有限且幅值和位置固定，SVM能夠產生任意數(shù)量和任意大小的電壓矢量，因此DTC-SVM能更精確的調節(jié)轉矩和磁鏈，具有固定的開關頻率，而且采樣頻率可以比傳統(tǒng)DTC低很多。DTC-SVM的關鍵是所需電壓矢量的獲取，提出了包括deadbeat控制[5], [6], 間接轉矩控制[7], [8], 使用PI調節(jié)器的定子磁場定向控制[9], 滑膜控制器[10]等。盡管DTC-SVM轉矩脈動降低，開關頻率固定，但多數(shù)需要旋轉坐標變換，增加復雜性，降低了傳統(tǒng)DTC具有的簡單、魯棒性優(yōu)勢。
對面貼式永磁同步電機，本文提出一種新的直接轉矩控制方法，同時結合空間矢量調制技術，變比例轉矩調節(jié)器及新的基于旋轉電動勢的參考電壓矢量發(fā)生器。推導出轉矩調節(jié)器的比例系數(shù)隨實際轉矩變化的模型和旋轉反電勢補償模型，建立了仿真和實驗系統(tǒng)。與傳統(tǒng)DTC相比，所提方法轉矩響應速度相近，轉矩脈動更小，定子電流正弦性好。
2. 面貼式永磁同步電機數(shù)學模型
3. 新的永磁同步電機DTC 控制方法
A. 總體控制方案
傳統(tǒng)DTC 原理如圖2所示，在實際數(shù)字控制中，為完成轉矩和磁鏈的計算，系統(tǒng)的采樣頻率須非常快以實現(xiàn)良好的跟蹤性能，并且使轉矩和磁鏈誤差能夠被限制在滯環(huán)寬度之內。由于在一個采樣周期內，逆變器開關無動作，故逆變器開關頻率低于采樣頻率，因此在低的采樣頻率下，相應轉矩脈動會很大。
本文所提出的新的DTC 方法方案如圖3所示，只采用一個變比例增益的轉矩調節(jié)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)DTC 的轉矩和磁鏈雙滯環(huán)調節(jié)器。
4. 仿真和實驗分析
基于MATLAB，進行了新的直接轉矩控制方法和經典的直接轉矩控制方法對比分析，其控制系統(tǒng)結構分別如圖3和圖2所示，電機和控制系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。同時，建立了PMSM控制系統(tǒng)實驗平臺。
DTC方法、新的帶旋轉電動勢的DTC方法、傳統(tǒng)DTC方法。新DTC方法的采樣頻率設為10kHz，傳統(tǒng)DTC方法采樣頻率設為50kHz。為方便描述，前兩種方法分別稱為DTC1和DTC2用于下面實驗結果分析中。
圖5為1000r/min(50%額定轉速)轉速，t=0.04s時突加負載6N.m，DTC1、DTC2和傳統(tǒng)DTC方法的動態(tài)響應曲線，從上至下分別為轉矩、定子電流曲線。由圖可見，DTC2轉矩脈動比DTC1小，定子電流正弦性更好，DTC1在整個動態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程中的轉矩振蕩都很明顯，傳統(tǒng)DTC方法的轉矩和電流脈動最大。
圖6為三種方法在轉速1000r/min, 負載6Nm時的定子電流諧波頻譜。可見，新的DTC2方法電流諧波畸變率2.58%，主要諧波為10kHz的開關頻率，低于DTC1方法的3.44%，其主要諧波頻率為10kHz的開關頻率和2kHz的振蕩頻率;傳統(tǒng)DTC諧波頻譜很寬，表明其開關頻率可變，最大在4kHz左右，而定子電流畸變率達到16.30%，遠高于前兩種方法。
25%和100%額定轉速、空載下轉矩的穩(wěn)態(tài)曲線分別如圖7所示和圖8所示，從上到下分別針對DTC1、DTC2和傳統(tǒng)DTC，與另外兩種方法相比，DTC2方法轉矩脈動減小明顯。三種方法的穩(wěn)態(tài)定子磁鏈軌跡在低速和高速情況下的曲線如圖9所示，DTC1和DTC2的定子磁鏈軌跡更接近圓形，脈動小，尤其DTC2更好。
DTC1、DTC2和傳統(tǒng)DTC三種方法的轉矩脈動數(shù)字比較如圖10所示，與傳統(tǒng)DTC相比，DTC2的轉矩脈動減小了89.21%，DTC1的轉矩脈動減小65.26%，DTC2的轉矩性能在整個調速范圍內優(yōu)于DTC1，證明了DTC2方法的有效性。應注意，如圖6所示，對于相同的采樣頻率，傳統(tǒng)DTC方法開關頻率最低，如果提高采樣頻率，可提高傳統(tǒng)DTC的性能，然而其性能的改善受硬件系統(tǒng)條件制約。故可采用DTC2方法提高性能。圖11為DTC2仿真系統(tǒng)A相電流ia和AB線電壓Uab波形，圖12為實驗系統(tǒng)的對比曲線。開關頻率為10kHz，在一個周期內正的電壓矢量作用期間電流增加;零電壓矢量作用時，電流減小。表明電流脈動依賴于參考電壓矢量，通過施加合適的參考電壓矢量作用減小轉矩脈動是可行的。
5. 結論
基于表貼式永磁同步電機分析，提出一種新的融合SVM、變比例轉矩調節(jié)、基于旋轉電動勢的參考電壓生成模型的直接轉矩控制方法，開關頻率不變，推導出轉矩調節(jié)器比例隨實際轉矩變化模型、旋轉電動勢參考電壓生成模型，建立仿真系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)，實驗結果證明該方法具有電流畸變小，全調速范圍內轉矩脈動小，跟蹤速度快，抗擾性能好的優(yōu)點。
