基于SVPWM的永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)

宣麗萍，李文龍

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150022)

基于SVPWM的永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)

宣麗萍，李文龍

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150022)

為解決永磁同步電動機直接轉矩控制中磁鏈和轉矩脈動的問題，采用將空間矢量脈寬調制與直接轉矩控制相結合的控制方法。SVPWM控制技術代替了傳統(tǒng)開關方式，不僅實現(xiàn)了電壓空間矢量的連續(xù)調節(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)電磁轉矩脈動較大的問題。仿真結果表明：所提出的控制方法可以在很大程度上降低磁鏈和轉矩脈動，系統(tǒng)具有更好的動態(tài)和靜態(tài)性能。

永磁同步電機；直接轉矩；空間適量脈寬調制

直接轉矩控制(DTC)[1]技術以其簡明的控制結構，快速的轉矩響應和弱化的參數(shù)依賴性，一直以來是高性能電機控制策略的熱點研究問題。直接轉矩控制技術首先成功應用于異步電機，而后拓展至同步電機[2]。鑒于永磁同步電機優(yōu)異的性能，目前國內外很多學者致力于永磁同步電機直接轉矩控制系統(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，因為通用電壓逆變器只有8個可用的基本空間矢量，而其中6個是非零的，并且每隔60°分配一個空間。在一個控制周期內，只能選擇一個電壓空間矢量，不能調整方向并控制定子磁通的可調范圍，所以磁通和轉矩脈動是不可避免的[3]。

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

1 PMSM的數(shù)學模型

假設忽略電機的磁芯飽和、渦流損耗和磁滯損耗，轉子中沒有阻尼繞組，以下方程式描述了α-β坐標系中PMSM的數(shù)學模型：

uα=Rsiα+Lsdiα/dt-ωrψfsinθ

uβ=Rsiβ+Lsdiβ/dt-ωrψfsinθ

式中：uα、uβ、iα、iβ為α-β坐標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為轉子角速度和位置。P為微分算子，P=d/dt。

2 空間矢量脈寬調制

SVPWM將逆變器和交流電機視為一個整體觀念，為電機提供恒定振幅的圓形磁場。根據(jù)三相對稱正弦電壓產生的理想磁通圓，使用逆變器不同開關模式產生的有效電壓矢量近似標準磁通圓[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)是符號函數(shù)。N和扇區(qū)號的對應關系如表1所示。

表1 N與扇區(qū)號的對應關系

2.2 計算動作時間

當電壓矢量在不同扇區(qū)時，每個逆變器開關的導通時間不同，如表2所示。

表2 T1和T2在不同扇區(qū)作用的時間

2.3 電壓矢量開關點的計算

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相的導通時間。將開關點的計算值與三角波進行比較，可以得到SVPWM的輸出時間，如表3所示。

表3切換點的計算

Table3Calculationofswitchingpoint

扇區(qū)號Tcm1Tcm2Tcm31TbTaTc2TaTcTb3TaTbTc4TcTbTa5TcTaTb6TbTcTa

3 空間矢量調制的直接轉矩控制

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CLARK變換在α-β坐標系中計算，并在定子電壓和電流采樣之后進行一些數(shù)學運算[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，ψref=ψs(k+1)-ψs(k)。

圖2 SVM-DTC的系統(tǒng)結構

(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 仿真結果分析

為了驗證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)設置為極對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；給定轉速n*=1 000 r/min，仿真時間為0.2 s。初始時刻負載轉矩TL=1.5 N·m，在t=0.1 s時負載轉矩TL=2.5 N·m，仿真結果如圖3～6所示。比較圖4和圖6，當電機從零速上升到給定轉速1000 r/min時，雖然開始時圖4和圖6電機轉速有一定超調量，但圖6仍然具有較快的動態(tài)響應速度。比較圖3和圖5，當負載在t=0.1 s發(fā)生突變時，圖5轉矩能夠迅速響應，轉矩波動很小，而圖3中電磁轉矩Te的波動較大。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)時轉矩的脈動相對較大，而采用SVM一DTC控制時,穩(wěn)態(tài)時轉矩脈動大大減小，由此可驗證SVM一DTC控制策略在減小轉矩脈動上有顯著的優(yōu)勢。

圖3 電機常規(guī)DTC的轉矩

圖4 電機常規(guī)DTC的轉速

圖5 電機SVM-DTC的轉矩

圖6 電機SVM-DTC的轉速

5 結 語

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

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，研究方向為電力電子與電力傳動。

TM301.2

A

2095-6843(2017)05-0407-04

(編輯陳銀娥)