摘要：傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)較大，開(kāi)關(guān)頻率總在變化。為此，對(duì)面貼式永磁同步電機(jī)，本文提出一種新的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，融合空間矢量調(diào)制，變比例轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)及基于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的參考電壓矢量生成模型。推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)隨實(shí)際轉(zhuǎn)矩變化的模型和新的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)參考電壓矢量模型，建立了仿真和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　表明該方法電流脈動(dòng)小，全調(diào)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，跟蹤快速和抗擾性能好。

　　關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī),直接轉(zhuǎn)矩控制,空間矢量調(diào)制,反電勢(shì),開(kāi)關(guān)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(zhuǎn)矩控制(DTC)的思想，1985年由德國(guó)魯爾大學(xué)的Depenbrock教授首次取得實(shí)際應(yīng)用的成功。1997年，L. Zhong, M.F.Rahman 和W. Hu等人首次把直接轉(zhuǎn)矩控制與永磁同步電機(jī)結(jié)合起來(lái)，成功實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)DTC控制[4]。這種DTC按照一定規(guī)則從預(yù)先制定的開(kāi)關(guān)表中選取電壓空間矢量對(duì)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行Bang-Bang控制[3]，他幾乎不依賴于電機(jī)參數(shù)。然而，傳統(tǒng)的基于開(kāi)關(guān)表的DTC方法，轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)較大，開(kāi)關(guān)頻率不固定。

　　一種改進(jìn)方法是將SVM和DTC結(jié)合起來(lái)，稱為DTC-SVM。不同于傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)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(chǎn)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和磁鏈，具有固定的開(kāi)關(guān)頻率，而且采樣頻率可以比傳統(tǒng)DTC低很多。DTC-SVM的關(guān)鍵是所需電壓矢量的獲取，提出了包括deadbeat控制[5], [6], 間接轉(zhuǎn)矩控制[7], [8], 使用PI調(diào)節(jié)器的定子磁場(chǎng)定向控制[9], 滑膜控制器[10]等。盡管DTC-SVM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低，開(kāi)關(guān)頻率固定，但多數(shù)需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，增加復(fù)雜性，降低了傳統(tǒng)DTC具有的簡(jiǎn)單、魯棒性優(yōu)勢(shì)。

　　對(duì)面貼式永磁同步電機(jī)，本文提出一種新的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，同時(shí)結(jié)合空間矢量調(diào)制技術(shù)，變比例轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器及新的基于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的參考電壓矢量發(fā)生器。推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)隨實(shí)際轉(zhuǎn)矩變化的模型和旋轉(zhuǎn)反電勢(shì)補(bǔ)償模型，建立了仿真和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)DTC相比，所提方法轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度相近，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小，定子電流正弦性好。

　　2. 面貼式永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

　  3. 新的永磁同步電機(jī)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(shí)際數(shù)字控制中，為完成轉(zhuǎn)矩和磁鏈的計(jì)算，系統(tǒng)的采樣頻率須非常快以實(shí)現(xiàn)良好的跟蹤性能，并且使轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差能夠被限制在滯環(huán)寬度之內(nèi)。由于在一個(gè)采樣周期內(nèi)，逆變器開(kāi)關(guān)無(wú)動(dòng)作，故逆變器開(kāi)關(guān)頻率低于采樣頻率，因此在低的采樣頻率下，相應(yīng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)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(gè)變比例增益的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)DTC 的轉(zhuǎn)矩和磁鏈雙滯環(huán)調(diào)節(jié)器。

　  4. 仿真和實(shí)驗(yàn)分析

　　基于MATLAB，進(jìn)行了新的直接轉(zhuǎn)矩控制方法和經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制方法對(duì)比分析，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別如圖3和圖2所示，電機(jī)和控制系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。同時(shí)，建立了PMSM控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

　   DTC方法、新的帶旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的DTC方法、傳統(tǒng)DTC方法。新DTC方法的采樣頻率設(shè)為10kHz，傳統(tǒng)DTC方法采樣頻率設(shè)為50kHz。為方便描述，前兩種方法分別稱為DTC1和DTC2用于下面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中。

　　圖5為1000r/min(50%額定轉(zhuǎn)速)轉(zhuǎn)速，t=0.04s時(shí)突加負(fù)載6N.m，DTC1、DTC2和傳統(tǒng)DTC方法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，從上至下分別為轉(zhuǎn)矩、定子電流曲線。由圖可見(jiàn)，DTC2轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比DTC1小，定子電流正弦性更好，DTC1在整個(gè)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩振蕩都很明顯，傳統(tǒng)DTC方法的轉(zhuǎn)矩和電流脈動(dòng)最大。

　　圖6為三種方法在轉(zhuǎn)速1000r/min, 負(fù)載6Nm時(shí)的定子電流諧波頻譜。可見(jiàn)，新的DTC2方法電流諧波畸變率2.58%，主要諧波為10kHz的開(kāi)關(guān)頻率，低于DTC1方法的3.44%，其主要諧波頻率為10kHz的開(kāi)關(guān)頻率和2kHz的振蕩頻率;傳統(tǒng)DTC諧波頻譜很寬，表明其開(kāi)關(guān)頻率可變，最大在4kHz左右，而定子電流畸變率達(dá)到16.30%，遠(yuǎn)高于前兩種方法。

　　25%和100%額定轉(zhuǎn)速、空載下轉(zhuǎn)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(duì)DTC1、DTC2和傳統(tǒng)DTC，與另外兩種方法相比，DTC2方法轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dòng)小，尤其DTC2更好。

　　DTC1、DTC2和傳統(tǒng)DTC三種方法的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)數(shù)字比較如圖10所示，與傳統(tǒng)DTC相比，DTC2的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小了89.21%，DTC1的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小65.26%，DTC2的轉(zhuǎn)矩性能在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)優(yōu)于DTC1，證明了DTC2方法的有效性。應(yīng)注意，如圖6所示，對(duì)于相同的采樣頻率，傳統(tǒng)DTC方法開(kāi)關(guān)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的對(duì)比曲線。開(kāi)關(guān)頻率為10kHz，在一個(gè)周期內(nèi)正的電壓矢量作用期間電流增加;零電壓矢量作用時(shí)，電流減小。表明電流脈動(dòng)依賴于參考電壓矢量，通過(guò)施加合適的參考電壓矢量作用減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是可行的。

　　5. 結(jié)論

　　基于表貼式永磁同步電機(jī)分析，提出一種新的融合SVM、變比例轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、基于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的參考電壓生成模型的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，開(kāi)關(guān)頻率不變，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器比例隨實(shí)際轉(zhuǎn)矩變化模型、旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)參考電壓生成模型，建立仿真系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法具有電流畸變小，全調(diào)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，跟蹤速度快，抗擾性能好的優(yōu)點(diǎn)。