舰炮智能随动系统直接转矩控制系统研究

郭志荣++王其林

摘要：针对舰炮交流随动系统非线性、时变和耦合的特点， 提出了采用直接转矩控制（direct torque control， DTC）的永磁同步电机舰炮随动系统。利用Matlab 7软件，对传统PID控制和本文所采用的策略进行了对比，仿真结果表明直接转矩控制改善了系统的动、静态性能，提供了系统的鲁棒性。

关键词：舰炮 直接转矩控制 随动系统 永磁同步电机

中图分类号：TJ391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0023-01

永磁同步电机以其体积小、重量轻、功率密度大等优点被广泛使用在电机驱动系统中，为了实现舰炮随动系统的动、静态指标的大幅提高，采用永磁同步电机控制系统已成为当今舰炮随动系统的发展方向。直接转矩控制作为一种新型的交流电机控制方式，由日本的Takahashi和德国的Denpenbrock提出，Zhong[1-2]首次较完备的提出了永磁同步电机直接转矩控制理论，Muhammed Fazlur Rahma 实现了永磁同步电机直接转矩控制系统在恒功率区的弱磁控制，因此将该控制方法应用于舰炮永磁同步电机随动系统有着广泛的前景。

1 PMSM直接转矩控制

1.1 PMSM的数学模型[3]

在两相静止坐标系下定子磁链的表达式：

定子电压方程表达式：

式中：是定子电阻；、是定子两相静止坐标系下的定子磁链分量；、为定子电压分量；、是定子电流分量；是电机机对数；为d轴与轴间的夹角；为转子电角速度；、为d、q轴电感；p为微分算子。

1.2 PMSM的DTC控制原理

采用直接转矩控制的永磁同步电机直接转矩控制系统如图1所示。

系统由永磁同步电机、逆变器、磁链估算单元、转矩估算单元[4]、转子位置估算单元、开关表和控制器等组成。控制系统将转速差，经PI控制器输出给定转矩信号；同时系统根据检测的电机二相电流和电压值，利用公式式（1）和式（2）计算出电机的实际磁链和转矩。估算出电机转子的位置、电机给定磁链和转矩与实际值的误差；然后选择逆变器的电压矢量[5]，使电机能按控制要求调节输出转矩，最终达到调速度的目的。

2 仿真及结果分析

为了验证永磁同步电机直接转矩控制在提高PMSM静、动态特性的优势，对文中所提的控制策略与传统PID控制进行了仿真研究。电机参数：额定转矩；极对数为2；定子电阻，d、q轴电感。仿真开始为空载运行，0.2秒处的阶跃载荷等于它的额定转矩，采样周期为100。

在低转速100rpm时，图2、图3分别为传统PID控制和DTC控制的响应曲线，由图2可知，传统PID控制的转矩脉动较大；而图3中，在直接转矩控制中，转矩响应迅速而且波动较小。在高转速1000rpm是，图4，图5分别为传统PID控制和DTC控制的响应曲线，由图4可知，传统PID控制的转矩脉动较大；而图5中，在直接转矩控制中，转矩响应迅速而且波动较小。

3 结语

本文对采用直接转矩控制的永磁同步电机控制系统进行了研究并做了数字仿真，仿真结果表明，相对于传统的PID控制，直接转矩控制在电机低速和高速时，系统的转矩响应更快速，对系统外部干扰具有更强的鲁棒性，系统动、静态性能优异，能适应于舰炮随动系统要求转矩快速响应的伺服系统。

参考文献

[1]Depenbrock M. Direct self-control of inverter-fed machine[J].IEEE Transactions on Power Electronics，1988（4）：420-429.

[2]Zhong L， Rahman M F， Hu W Y， et al. Analysis of direct torque control in permanent magnet synchronous motor drivers[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，1997（3）：528-535.

[3]Guney I， Oguz Y. Serteller F. Dynamic behavior model of permanent magnet synchronous motor fed by PWM inverter and fuzzy logic controller for stator phase current，flux and torque control of PMSM[C].IEEE Proceeding from Electric Machines and Drives Conference，USA.2001，12-17：479-485.

[4]黎亞元，唐浦华，宋昌林.直接转炬控制中一种磁链估计新方法[J].中国电机工程学报，2000（5）：22-24.

[5]魏欣，陈大跃，赵春宇.一种基于占空比控制技术的异步电机直接转矩控制方案[J].中国电机工程学报，2005（14）：93-97.

收稿日期：2016-09-19

作者简介：郭志荣（1976—），男，安徽芜湖人，博士，毕业于海军工程大学，讲师，研究方向：电力电子及电力传动。