基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制系统

宣丽萍，李文龙

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022)

基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制系统

宣丽萍，李文龙

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022)

为解决永磁同步电动机直接转矩控制中磁链和转矩脉动的问题，采用将空间矢量脉宽调制与直接转矩控制相结合的控制方法。SVPWM控制技术代替了传统开关方式，不仅实现了电压空间矢量的连续调节而且保证了定子磁链近似为圆形，有效地解决了常规DTC系统电磁转矩脉动较大的问题。仿真结果表明：所提出的控制方法可以在很大程度上降低磁链和转矩脉动，系统具有更好的动态和静态性能。

永磁同步电机；直接转矩；空间适量脉宽调制

直接转矩控制(DTC)[1]技术以其简明的控制结构，快速的转矩响应和弱化的参数依赖性，一直以来是高性能电机控制策略的热点研究问题。直接转矩控制技术首先成功应用于异步电机，而后拓展至同步电机[2]。鉴于永磁同步电机优异的性能，目前国内外很多学者致力于永磁同步电机直接转矩控制系统的研究，并取得了一定的研究成果。

但是在传统的DTC控制系统中，基本矢量之间的切换是不连续的，因为通用电压逆变器只有8个可用的基本空间矢量，而其中6个是非零的，并且每隔60°分配一个空间。在一个控制周期内，只能选择一个电压空间矢量，不能调整方向并控制定子磁通的可调范围，所以磁通和转矩脉动是不可避免的[3]。

针对上述磁通和转矩波动的缺点，提出了SVM-DTC方法，SVPWM用于降低通量和转矩波动。在控制周期中，选择两个相邻的非零电压矢量和零矢量，并计算其动作时间合成所需的电压空间矢量，然后控制逆变器[4]。鉴于空间矢量调制技术在高性能矢量控制系统中优良的控制性能，本文对SVPWM技术在最优永磁同步电机直接转矩控制系统中的作用进行了研究和实验。

1 PMSM的数学模型

假设忽略电机的磁芯饱和、涡流损耗和磁滞损耗，转子中没有阻尼绕组，以下方程式描述了α-β坐标系中PMSM的数学模型：

uα=Rsiα+Lsdiα/dt-ωrψfsinθ

uβ=Rsiβ+Lsdiβ/dt-ωrψfsinθ

式中：uα、uβ、iα、iβ为α-β坐标系中的定子电压和电流分量；Rs为电阻、Ls为电感；ψf为磁通量；ωr为转子角速度和位置。P为微分算子，P=d/dt。

2 空间矢量脉宽调制

SVPWM将逆变器和交流电机视为一个整体观念，为电机提供恒定振幅的圆形磁场。根据三相对称正弦电压产生的理想磁通圆，使用逆变器不同开关模式产生的有效电压矢量近似标准磁通圆[5]。

2.1 扇区判断

定义以下变量

Uref1=Uβ

那么扇区N可以由下式得到

N=signUref1+2signUref2+4signUref3

式中：sign(x)是符号函数。N和扇区号的对应关系如表1所示。

表1 N与扇区号的对应关系

2.2 计算动作时间

当电压矢量在不同扇区时，每个逆变器开关的导通时间不同，如表2所示。

表2 T1和T2在不同扇区作用的时间

2.3 电压矢量开关点的计算

定义以下变量：

Ta=(T-T1-T2)/4

Tb=Ta-T1/2

Tc=Tb+T2/2

根据表3分配Tcm1，Tcm2和Tcm3，其中Tcm1,Tcm2和Tcm3分别定义为A，B和C相的导通时间。将开关点的计算值与三角波进行比较，可以得到SVPWM的输出时间，如表3所示。

表3切换点的计算

Table3Calculationofswitchingpoint

扇区号Tcm1Tcm2Tcm31TbTaTc2TaTcTb3TaTbTc4TcTbTa5TcTaTb6TbTcTa

3 空间矢量调制的直接转矩控制

在传统的DTC系统中，磁通振幅ψs(k)和相位角θ(k)可以通过CLARK变换在α-β坐标系中计算，并在定子电压和电流采样之后进行一些数学运算[6]。在控制周期后，磁通振幅变为ψs(k+1)，相位角变为θ(k+1)。θ(k)与θ(k+1)之间的夹角为Δθ，如图1所示。

图1 SVM-DTC系统中的磁通矢量

将ψs(k+1)和ψs(k)之间的通量差定义为ψref，也就是说，ψref=ψs(k+1)-ψs(k)。

图2 SVM-DTC的系统结构

(1)

ψref=ψ2(k+1)-ψs(k)=us(k)Ts-Rsis(k)Ts

因此

(2)

将等式(1)带入等式(2)中，可以获得等式

4 仿真结果分析

为了验证SVM-DTC仿真模型的有效性和可行性，在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型。将PMSM的参数设置为极对np=2；定子电阻Rs=18.7 Ω；永久磁铁ψs=0.171 7 Wb；电感Ld=Lq=26.82 mH；给定转速n*=1 000 r/min，仿真时间为0.2 s。初始时刻负载转矩TL=1.5 N·m，在t=0.1 s时负载转矩TL=2.5 N·m，仿真结果如图3～6所示。比较图4和图6，当电机从零速上升到给定转速1000 r/min时，虽然开始时图4和图6电机转速有一定超调量，但图6仍然具有较快的动态响应速度。比较图3和图5，当负载在t=0.1 s发生突变时，图5转矩能够迅速响应，转矩波动很小，而图3中电磁转矩Te的波动较大。因此可以得出，采用传统DTC控制方法控制效果较差,在稳态时转矩的脉动相对较大，而采用SVM一DTC控制时,稳态时转矩脉动大大减小，由此可验证SVM一DTC控制策略在减小转矩脉动上有显著的优势。

图3 电机常规DTC的转矩

图4 电机常规DTC的转速

图5 电机SVM-DTC的转矩

图6 电机SVM-DTC的转速

5 结 语

本文介绍了PMSM的新型直接转矩控制算法。通过使用SVPWM，控制系统的动态和静态性能优于PMSM的常规DTC控制系统。仿真结果表明，与常规DTC相比，SVM-DTC可以有效降低磁通和转矩脉动，具有更快的动态响应和更低的电流谐波。

所以SVM-DTC是可行的，更有效的，具有更好的应用前景。

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LI Hong, ZHANG Yong, WANG Xiaojuan, et al. Simulation of SVPWM control strategy for permanent magnet synchronous motor [J]. Micro-motor, 2009, 42 (1): 86-88.

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PMSM DTC system based on SVPWM

XUAN Liping,LI Wenlong

(School of Electrical Control Engineering,Heilongjiang University of Science And Technology,Harbin 150022,China)

In order to solve the problems of flux linkage and torque ripple in PMSM DTC system, a control method combining space vector pulse width modulation and direct torque control is adopted. SVPWM control technology replaces the traditional switch table method, which not only achieves the continuous adjustment of the voltage space vector, but also ensures that the stator flux linkage is approximately circular as well as effectively solving the problem of conventional DTC system electromagnetic torque ripple. The simulation results show that the proposed control method can reduce the flux linkage and torque ripple to a great extent, and the system has better dynamic and static performances.

PMSM; direct torque; space suitable pulse width modulation

2017-05-25。

宣丽萍(1971—)，女，副教授，研究方向为电力电子与电力传动。

TM301.2

A

2095-6843(2017)05-0407-04

(编辑陈银娥)