混合动力工程机械永磁同步电机控制策略

吴向杰 沈启超

摘 要：针对混合动力工程机械永磁同步电动机直接转矩控制系统电磁转矩脉动过大的缺点，在详细分析影响磁链和转矩脉动大小因素的基础上，重新建立了基于SVM调制的永磁同步电机直接转矩的控制框图，在MATLAB/Simulink中对传统永磁同步电机直接转矩控制和改进后的转矩控制系统方法进行了仿真对比研究，结果表明，新的系统能有效减少转矩和磁链的脉动，最后进行了实验验证。

关键词：SVM脉宽调制;转矩控制;磁连控制;电磁脉动

1 概述

电机控制策略混合动力工程机械最为重要的组成之一，它直接影响整机的安全性、速度、作业效率和能源消耗。本文研究的混合动力电力驱动单元集牵引、制动、变速功能为一体，满足不同状况下的运行要求，是混合动力牵引部分的核心部件，直接影响到整机的动力性和经济性。因此对永磁同步电机控制策略进行研究具有重要的意义。

永磁同步电机的直接转矩控制以其控制方式简单、转矩响应快的优点得到了广泛的应用。直接转矩控制法是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子交流坐标系下分析感应电机的数学模型、估算定子磁链和输出转矩，采用离散的滞环比较器，把输出转矩和定子磁链大小的波动限制到允许的合理范围内，并直接对逆变器的开关进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。

虽然直接转矩控制具有控制简单，响应迅速的优点，但是直接转矩控制法在实施电磁转矩及磁链滞环控制时，电机转矩不可避免地存在脉动，会直接影响电机低速运行的平稳性和调速范围。但是在高精确度、高性能PMSM伺服驱动系统中，对于转矩脉动有很高的要求，因此很多人在减少DTC控制的转矩脉动方面都进行了积极研究。减少转矩脉动最直接的方法就是将六边形定子磁链轨迹进行细分，使之更接近圆形，从而减小输出转矩的脉动，但这样会增加开关状态，同时使硬件的结构更复杂和成本也增加。因此，改进控制策略就变的更加重要，文献提出了一种基于离散定子电流和磁链的无差直接转矩控制;文献采用空间电压矢量调制技术，利用相邻电压空间矢量和零电压矢量进行组合，实现转矩、磁链误差的精确补偿，进而达到减小转矩脉动目的，实现对磁链工作扇区的判别以及对电压空间矢量调制技术中复杂的数学和逻辑计算。本文针对永磁同步电机传统的直接转矩控制转矩和磁链脉动进行了分析，结合电机模型提出了一种基于SVPWM占空比调制的永磁同步电机直接转矩控制。在直接转矩控制的基础上，根据SVPWM控制的矢量原理对磁链作用的时间进行控制，分析表明， 该方法相对于传统控制方法可对磁链和转矩进行更准确的控制，降低磁链与转矩脉动，定子磁链的动态控制无需电流控制器，开关频率恒定，不必依赖于电机参数，实验结果验证了其有效性。

2 传统的PMSM的DTC控制

2.1永磁同步电机数学模型

永磁同步电机电压模型：

[ （1）]

磁链方程：

[（2）]

转矩方程简明的形式：

（3）

式中：ud、uq、id、iq为d、q坐标系下的定子电压、电流;d和q为d、q坐标下的定子绕组磁链;Ld和Lq为d、q坐标下的定子绕组电感;ωe为转子的电角速度;p为永磁体极对数，ωm为转子机械角速度;f为转子励磁磁链，θ定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角;μ定子磁链;r转子磁链。

从式（3）可以看出，转矩的大小与、转子磁链幅值、定子磁链幅值和磁通角θ正切值的积成正比。实际操作中，为充分利用电动机铁心，保持定子磁链幅值为额定值;转子磁链的幅值由负载决定;我们可以通过改变磁通角θ来控制定子磁链的旋转速度，来控制电动机转矩。

2.2 电枢磁链和输出转矩的估算

用定子电压和定子电流来确定定子磁链的方法叫u-i模型法：

（4）

u-i模型法只有在us（t）-is（t）Rs的值较大时才能提供正确的结果。其误差主要取决于电阻Rs，基于这个原因，u-i模型在30%额定转速以下，特别是在10%额定转速以下时，无法准确地确定定子磁链。

为了获得电磁转矩的偏差，需要知道电磁转矩的实际值。同电枢磁链一样，因为电磁转矩不易直接检测，我们可以根据电枢磁链、电枢电流和电磁转矩之间的关系，通过下式来计算当前的电磁转矩：

（5）

2.3 直接转矩控制框图

直接转矩控制的控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，进而改变磁通角的大小，从而可以控制电动机转矩。

永磁同步电机直接转矩控制系统的方框图如下图1所示。由于电枢磁链和输出转矩通常都不会直接检测到，因此用于计算和的电枢磁链大小和输出转矩采用估算值。转矩给定值Te*与估计转矩Te相对比，经转矩滞环比较器得到转矩控制信号ΔT;定子磁链

|a|*与估计磁链 a相对比，经磁链值换比较器得到磁链控制信号;由磁链和转矩的控制信号结合定子磁链的当前位置信号，根据开关电压矢量查询表，可以确定出当前相对最佳控件电压矢量，进而驱动PMSM。

3 PMSM SVM DTC

3.1 磁链控制性能

将方程（4）离散化以后得

（6）

Ts为采样周期，磁通的波动范围是一个与采样周期成正比的量。采样周期越短，磁通的波动范围就会越小。一个周期内定子磁链的增量：

（7）

由上式表明，当缩小采样周期时，磁通波动还可以进一步减小。磁通控制的越好，电流谐波就会越小，转矩的脉动也会减小。假定消除转矩脉动所需的定子磁链矢量的增量满足

（8）

一个周期参考电压作用时间

（9）

通过合理设计参考电压矢量和采樣周期，满足上式，且有

（10）

由上式可以看出，控制us的作用时间ts可以实现磁通控制，从而电流谐波和转矩的脉动。

图1  直接转矩控制

3.2 转矩控制性能

对式（3）对时间求导，进行离散化处理：

（11）

永磁同步电机输出转矩的增量dTd与磁通角θ、磁通角增量dθ有关系，而与转子空间位置和转速无关。

3.3 t1、t2和t3的计算

线性时间组合的电压空间矢量Uout是t1/TPWM倍的Ux与t2/TPWM倍的Ux±60的矢量和，即

（12）

根据三角形的正弦定理有

（13）

（14）

由式（13）和式（14）得

（15）

（16）

式（15）中，TPWM可预先选定;Uout由U/F曲线确定;θ可由输出正弦电压角频率ω和nTPWM的乘积计算。因此，当已知两相邻的基本电压矢量Ux和Ux±60后，t1和t2就可以确定。

t1和t2还有另一种确定方法。当Uout、Ux和Ux±60投影到平面直角坐标系Oαβ中时，是可以写成

（17）

当一只矩阵和Uout在平面直角坐标系Oαβ的投影后，t1和t2也可以确定。

另外，当逆变器单独输出零矢量0000和时0111，电动机的定子磁链矢量是恒定的。据此，在TPWM加入零矢量作用的时间t0，使

TPWM=t1+t2+t0（18）

3.4 SVM DTC 控制框图

对于永磁同步电机，当忽略点数绕组电阻时，电枢电压的积分就是定子磁链。与各相绕组铰链的磁链在空间上的合成就是空间磁链矢量。而根据空间电压矢量可以得到空间磁链矢量。要使交流电机运转平稳，必须使空间磁链矢量平滑地旋转。不同时刻的空间磁链矢量构成一个圆。SVPWM方式就是通过逆变器的不同开关模式的组合，得到圆形空间磁链矢量轨迹的PWM方式。由于交替使用不同的空间电压矢量，因此叫做空间矢量脉宽调制，也叫做瞬时空间磁链矢量圆轨迹法。

根据参考定子磁链矢量和当前估算的定子磁链矢量来确定系统中预期的电压矢量，该电压矢量通过SVM技术表示成2个相邻非零电压矢量和零电压矢量的优化线性组合，并以它能逼近预期电压矢量为目标来确定这3个开关电压矢量各自作用的时间，实现磁链和转矩的准确平滑控制，从而降低磁链、转矩脉动。这就是SVM DTC，系统框图见图2。同直接转矩控制系统相比主要是采用了转矩控制器和参考定子磁链矢量计算模块代替转矩滞流环比较器和磁链环比较器;当前所需预期电压矢量融合了SVM技术，取代了开关电压矢量选择表。

图2  基于SVM脉宽调制永磁同步电机直接转矩控制系统

4 仿真结果

基于上述分析，在Matlab/simulink中分别建立永磁同步电机传统和改进方案后的仿真分析。电机的参数：Ld=2.0mH，Lq=2.0mH，Rd=0.435Ω，Rq=0.816Ω，p=2，J=0.089kg·m2。拖动系统中系统仿真时间是从0～20s，仿真的步长为2μs。电机在恒转矩11N·m作用下，T=0～10s时电机转速为1500rpm，此时电机作电动机用;T=10～20s时电机转速为负1500rpm，此时电机做发电机用。图3和图4是电机在两种控制下的转矩与磁链仿真结果图。从实验结果可以看出，与传统DTC相比，采用控制后，磁链和转矩脉动都明显减小。

5 实验研究

基于超级电容的电动卷扬机能量储存装置控制系统组成如图5所示，主要包括能量回馈系统，电机调速系统，控制系统（采用DSP控制器）和混合供电电源。混合供电电源，包括超级电容组和外接380V交流电，作为整个装置能量来源;能量回馈系统，包括与超级电容连接的DC/DC交换器和检测系统，DC/DC交换器构成了超級电容组的充放电回路，检测系统监测超级电容的电压和电流，保证超级电容正常工作，用于超级电容组的充放电和安全监测;电机调速系统，主要包括变频器和永磁同步电机，变频器将电源的能量转换为电动机需要的电能，从而保证电机根据操作指令运行;控制系统，包括超级电容充放电控制装置（采用双PI控制方法）和永磁同步电机控制器（采用空间矢量控制方法），控制系统保证能量回收卷扬机能根据不同工况自动切换电机的运行状态和超级电容的工作方式。图6为基于SVM调试的直接转矩控制策略的卷扬机能量回收实验结果。

图5  卷扬机能量回收实验框图

（a）电机转速

（b）直流母线电压

（c）超级电容电流

（d）超级电容电压

图6  实验结果

6 结论

本文提出了一种新的直接转矩控制控制方案，在直接转矩控制的基础上，结合SVM控制的矢量原理，对磁链作用的时间进行控制，该方法相对于传统直接控制转矩法对转矩和磁链控制更准确，能有效降低磁链与转矩的脉动，定子磁链的动态控制亦无需电流控制器，开关频率更恒定，不依赖于电机参数，实验结果证明了该控制方法能够减小传统DCT中磁连和转矩的脉动。

参考文献：

[1]徐艳平，钟彦儒.扇区细分和占空比控制相结合的永磁同步电机直接转矩控制[J].中国电机工程学报，2009，29（3）：102-108.

[2]王宝仁，张承瑞，贾磊.永磁同步电机低脉动直接转矩控制建模与仿真[J].电机与控制学报，2007，11（3）：221-226.

[3]刘英培，万健如，梁鹏飞.基于扩展卡尔曼滤波器和空间电压矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制[J].中国电机工程学报，2009，29（27）：67-74.

[4]徐艳平，钟彦儒.基于占空比控制的永磁同步电机新型直接转矩控制策略[J]，电工技术学报，2009，24（10）：27-32.

作者简介：

吴向杰，生于1978年10月，汉族，2011年毕业于洛阳工学院汽车与拖拉机专业，武汉理工硕士在读，现在郑州日产汽车技术中心从事汽车底盘设计。