基于空间电压矢量的永磁同步电机恒转矩控制方法研究

吉铭成

（江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江,212003）

基于空间电压矢量的永磁同步电机恒转矩控制方法研究

吉铭成

（江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江,212003）

针对矢量控制和直接转矩控制两种控制策略，本文研究了永磁同步电机空间电压矢量调制直接转矩控制方法，并采用空间电压矢量调制直接转矩控制策略对永磁同步电机进行了恒转矩控制的模拟仿真，提高了控制系统的稳定性。

永磁同步电机;直接转矩控制;空间电压矢量调制;恒转矩控制

1 永磁同步电机传统直接转矩控制（DTC）

直接转矩控制不同于矢量控制中电流解耦的思想，通过检测母线电压和定子电流，直接计算磁链和转矩，并利用两个滞环比较器，直接实现对定子磁链和转矩的解耦。但DTC控制只能在一个扇区内选择和发出一个空间电压矢量，另外永磁同步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，精确线性化、滑模变结构等方法无法通过传统直接转矩控制来实现。

2 永磁同步电机空间电压矢量调制直接转矩控制（SVM-DTC）

空间电压矢量调制技术最早于1992年应用于异步电动机直接转矩控制系统，是在一个控制周期中选择相邻非零矢量和零矢量，计算每个矢量的作用时间，从而合成所需的任意电压矢量，实现对转矩和磁链的无差控制，能克服传统的直接转矩控制的缺点，实现非线性解耦控制。

2.1 空间电压矢量合成

空间电压矢量合成利用六个空间电压矢量把空间等分成6个扇区。Uout为目标空间电压矢量，当目标空间电压矢量转到某个扇区时，便由形成这个扇区的两个非零空间电压矢量和零矢量线性组合而成（如第1扇区，由U1、U2和零矢量合成）。这样原有的6个空间电压矢量可以合成所需的任意方向任意大小的空间电压矢量，从而电机气隙磁通更好的逼近圆形。图1为空间电压矢量的分解图，目标空间电压矢量Uout落在第1扇区里。

EMBED Visio.Drawing.11

图1 空间电压矢量的分解

由图推导

EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT

式中：T为一个控制周期； T1、T2为第1扇区两基本空间电压矢量U1、U2持续时间； T0为零矢量持续时间；Uout为目标空间电压矢量； EMBED Equation.3 、 EMBED Equation.3为目标空间电压矢量Uout在 EMBED Equation.3 、 EMBED Equation.3 轴的分量。UDC为母线直流电压。同理推导其他扇区，可得空间电压矢量在各扇区的分解式。

若设时间变量

EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT

则在每个扇区，组成扇区的两个空间电压矢量所作用的时间列在表1中。

表1 各扇区作用矢量及对应时间表

其中， EMBED Equation.3 为目标空间电压矢量所处扇区，X、Y分别为组成此扇区的空间电压矢量序号。T1、T2为各个空间电压矢量作用时间。

2.2 SVM-DTC的实现

SVM-DTC根据定子磁链与转矩的误差实时地控制定子磁链的幅值和将转矩保持在一定的容差带内，可以使用两个PI控制器来调整定子磁链的幅值和转矩，以获得合成目标空间电压矢量Uout。如果已知合成目标空间电压矢量Uout或者是其在EMBED Equation.3、EMBED Equation.3坐标系下的分量EMBED Equation.3、EMBED Equation.3就可以根据表1计算出两个空间电压矢量所作用的时间T1和T2，就可以方便地实现SVM-DTC数字控制系统。

图2 永磁同步电机SVM-DTC仿真模型

3 永磁同步电机SVM-DTC仿真研究

在MATLAB环境下建立永磁同步电机SVM-DTC仿真模型，如图2所示。仿真模型中包括永磁电机本体模块、逆变器、开关表、坐标变换、磁链的估算、转矩的估算、转矩的给定，涵盖了传统DTC控制的各组成部分。电机参数为：极对数np=12、直轴电感Ld=0.0023H、交轴电感Lq=0.0025H、永磁体磁势 EMBED Equation.3=0.133Wb、定子电阻Rs=0.031 EMBED Equation.3 、转动惯量J=35kg.m2。初始加负载为EMBED Equation.3=0 N.m，额定功率P=360kW。

采用上图SVM-DTC仿真模型进行研究。给定恒定转矩为5100N，运行时间为0.7s，在0.26s加入250Nm、持续时间为0.01s的干扰，转矩仿真曲线如图2和图3所示。可以看出，SVM-DTC比DTC的转矩脉动明显小了很多，且SVM-DTC的动态性能优于DTC直接转矩控制，对外界抗干扰能力强，系统鲁棒性强。

EMBED Visio.Drawing.11 EMBED Visio.Drawing.11

图3 转矩变化曲线 EMBED Visio.Drawing.11 EMBED Visio.Drawing.11

[1] 张岳.基于SIMULINK的永磁同步电机控制系统的仿真设计[J] 辽宁科技学院学报,2007,9(1),1-3.

[2] 黄慧敏. 永磁同步电机系统建模与仿真研究[D].武汉理工大学,2007.

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吉铭成，男，汉族，江苏丹阳人，目前就读于江苏科技大学电子信息学院，主要研究方向为电气自动化、电机控制等。

Research of Permanent magnet synchronous motor based on space voltage vector constant torque control method

Ji Mingcheng
（School of electronics and information, Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang,212003）

Combining with two kinds of control strategies of vector control and direct torque control,this paper uses space voltage vector modulation(SVM)in studying the direct torque control method of permanent magnet synchronous motor(PMSM),and USES the SVM strategy of permanent magnet synchronous motor direct torque control system for constant torque control simulation.The stimulation results show it improves the stability of the control system.

PMSM；DTC;SVM;constant torque control

图4 有干扰时转矩变化曲线