基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制探索

戴 芳

(湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲 412001)

基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制探索

戴 芳

(湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲 412001)

永磁电机控制系统采用直接转矩控制策略，大大促进了结构优化，基于SVPWM进行转矩控制可以有效改善电流状态。由此，笔者基于SVPWM并集合利用Matlab全面对基于直接转矩控制的永磁同步电机控制系统进行探索，目的是改善稳态转矩和稳态电流，为进一步实验系统样机制作提供了一定的理论基础。

直接转矩控制；永磁同步电动机；SVPWM

一、引言

永磁同步电动机(PMSM)因其高功率密度、高转矩和免维修等原因，广泛应用于高效驱动领域。空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术是在一个控制周期内，通过相邻基本电压矢量和零电压矢量合成得到所需的任意电压矢量，实现电压矢量的线性连续可调的技术。本文运用了一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的永磁同步电机的直接转矩控制算法，其原理是根据转矩和定子磁链的误差，通过驱使误差为零的原则确定参考电压空间矢量，然后通过SVPWM技术合成该矢量。本文基于SVPWM对永磁同步电机直接转矩控制探索。同时对直接转矩控制系统进行系统的搭建，同时加入空间电压矢量控制提高系统稳态转矩和电流，降低转矩脉动，并进行了必要的分析。

二、直接转矩控制

直接转矩控制(Direct torque control，简称DTC)是一种变频器控制三相马达转矩的方式。其作法是依量测到的马达电压及电流，去计算马达磁通和转矩的估测值，而在控制转矩后，也可以控制马达的速度，直接转矩控制是欧洲ABB公司的专利。在直接转矩控制中，定子磁通用定子电压积分而得。而转矩是以估测的定子磁通向量和量测到的电流向量外积为估测值。磁通和转矩会和参考值比较，若磁通或转矩和参考值的误差超过允许值，变频器中的功率晶体会切换，使磁通或转矩的误差可以尽快缩小。因此直接转矩控制也可以视为一种磁滞或继电器式控制。

三、永磁同步电动机及转矩控制

(一)基于SVPWM的永磁同步电机

20世纪90年代前，由于技术成本等原因，国内伺服电机以直流永磁有刷电机和步进电机为主，而且主要集中在机床和国防军工行业。1990年以后，进口永磁交流伺服电机系统逐步进入中国，此期间得益于稀土永磁材料的发展、电力电子及微电子技术日新月异的进步，交流伺服电机的驱动技术也很快从模拟式过渡到全数字式。由于交流伺服电机的驱动装置采用了先进全数字式驱动控制技术，硬件结构简单，参数调整方便，产品生产的一致性可靠性增加，同时可集成复杂的电机控制算法和智能化控制功能，如增益自动调整、网络通讯功能等，大大拓展了交流伺服电机的适用领域；另外随着各行业，如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等，对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求不断提高，这些领域对交流伺服电机的需求将迅猛增长，交流伺服将逐步替代原有直流有刷伺服电机和步进电机。

正弦波交流伺服系统综合了伺服电动机、角速度和角位移传感器的最新成就，与采用新型电力电子器件、专用集成电路和专用控制算法的交流伺服驱动器相匹配，组成新型高性能机电一体化产品。使原有的直流伺服系统面临淘汰的危机，成为当今世界伺服驱动的主流及发展方向。

永磁同步电动机要求输入定子绕组的电源仍然是三相正弦波形。(PM·SM)无刷直流电动机(BLDCM)，用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，将原直流电动机的电枢变为定子。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流电流供给电枢绕组，而无刷直流电动机(BLDCM)是将方波电流(实际上也是梯形波)直接输入定子。将有刷直流电动机的定子和转子颠倒一下，并采用永磁转子，就可以省去机械换向器和电刷，由此得名无刷直流电动机。BLDCM定子每相感应电动势为梯形波，为了产生恒定的电磁转矩，要求功率逆变器向BLDCM定子输入三相对称方波电流，而SPWM、PM、SM定子每相感应电动势为近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子输入三相对称正弦波电流。

(二)转矩控制

永磁同步电机的磁场来自电动机的转子上的永久磁铁，永久磁铁的特性在很大程度上决定了电机的特性，目前采用的永磁材料主要有铁淦氧，铝镍钴，钕铁硼以及SmCO5 Sm2CO17。在转子上安装永磁铁的方式有两种。一种是将成形永久磁铁装在转子表面，即所谓外装式；另一种是将形成永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式。永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁动势的分布不同，三相永磁同步电动机可分为两种类型：正弦波型和方波型永磁同步电机，前者每相励磁磁动势分布是正弦波状，后者每相励磁磁动势分布呈方波状，根据子路结构和永磁体形状的不同而不同。

控制原理相似，给定指令信号加到AC伺服系统的输入端，电动机轴上位置反馈信号与给定位置相比较，根据比较结果控制伺服的运动，直至达到所要求的位置为止。PM、SM和BLDCM二类伺服系统构成的基本思路是一致的。两种永磁无刷电动机比较而言，方波无刷直流电动机具有控制简单、成本低、检测装置简单、系统实现起来相对容易等优点。但是方波无刷直流电动机原理上存在固有缺陷，因电枢中电流和电枢磁势移动的不连续性而存在电磁脉动，而这种脉动在高速运转时产生噪声，在中低速又是平稳的力矩驱动的主要障碍。转矩脉动又使得电机速度控制特性恶化，从而限制了由其构成的方波无刷直流电动机伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合下的应用(尤其是在低速直接驱动场合)。

由于直流伺服电动机存在机械结构复杂，维修工作量大包括电刷、换向器等则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。随着微处理技术、大功率电力电子技术的成熟和电机永磁材料的发展和成本降低，交流伺服系统得到长足发展并将逐步取代直流伺服系统。

控制电机运转必须的三根电缆：动力电缆；电机动力线，电机编码器线。控制信号：位置控制——(脉冲方向输入3，4，5，6)；速度控制——(仿真量输入14，15 0到±10V)

扭矩控制——(模拟量输入14,15)。其他辅助控制功能：10点输入：①伺服使能②模式选择③增益切换④报警清除；6点输出：①报警(ALM)②准备(S-RDY)③制动器释放(BRK-OFF)④零速检测(ZSP)⑤转矩控制TLC。⑥定位完成或者速度到达。它比步进系统就多了一个编码器反馈，构成了一个死循环系统，当然这个死循环仅仅是相对而言。伺服系统现在逐渐取代了步进系统，所以大家会逐渐熟悉。

四、结束语

本文首先分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)的基本原理，并提出了基于SVPWM的直接转矩控制策略，实现了电压矢量的连续可调。在MATLAB/Simulink环境下对系统多种运行状态进行了仿真。结果表明，该控制策略具有快速的动态响应，有效减小了转矩、磁链的波动以及电流的畸变，大大改善了永磁同步电机直接转矩控制的稳态性能。

[1]Jaswant Singh,Bindeshwar Singh,Investigation of Performance Parameters of PMSM Drives using DTCSVPWM Technique,IEEE Trans.Engineering and Systems(SCES),2012 Students Conference on.Publication Year:2012,Page(s):1-6.

[2]欧阳红林.多相永磁同步电动机调速系统控制方法的研究[D].湖南大学博士学位论文,2005:1-2.

[3]王成元,夏加宽,孙宜标.现代电机控制技术[M].北京:机械工业出版社,2008(8).