永磁同步電動機直接轉矩控制系統的研究

戴麗萍

（富拉爾基區黑化集團造氣廠電儀車間，黑龍江 齊齊哈爾 161041）

直接轉矩控制（Direct Torque Control，簡稱DTC）技術是繼矢量控制技術之后在交流調速領域出現的一種新型變頻調速技術，常規的直接轉矩控制具有實現簡單、動態響應迅速快和受電機參數變化影響小的優點，能夠獲得較好的動態性能，但也存在著較大的轉矩脈動。針對常規直接轉矩控制存在的不足，提出了基于空間電壓矢量脈寬調制（Space-voltage Vector Pulse Width Modulation，簡稱SVPWM）技術的直接轉矩控制系統，利用電壓空間矢量調制能夠使逆變器實現電壓空間矢量的連續輸出，有效地減小了電流諧波成分，抑制了轉矩脈動，同時也大大地提高了直流母線電壓的利用率，拓寬了系統的調速范圍；同時，為了進一步改善系統的調速性能，速度控制器采用了模糊PI控制策略，進一步提高了系統的動靜態特性和抗干擾能力。

1 永磁同步電動機數學模型及控制系統結構

直接轉矩控制是交流電動機的一種高性能控制策略，在永磁同步電動機驅動控制中的應用與研究已受到眾多學者的廣泛關注。為了能夠更加透徹地理解這種控制策略在永磁同步電機伺服系統的應用，本章建立了不同坐標系下永磁同步電動機的數學模型并進行了矩角分析。永磁同步電動機具有動態響應快、運行平穩、過載能力強等優點，非常適合在負載轉矩變化較大的情況下使用，而且它的效率和功率因數都比較高，在輕載運行時節能效果明顯，長期使用可以大幅度節省電能。另外，永磁同步電動機不需要勵磁電流，而且體積較之同容量的異步電機小、重量輕、結構多樣化，應用范圍比較廣。

1.1 永磁同步電動機的數學模型

經過適當的坐標變換給出了在dq坐標系下永磁同步電動機的電壓、磁鏈、電磁轉矩和機械運動方程，即永磁同步電動機的數學模型：電壓方程為

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1.2 永磁同步電動機直接轉矩控制系統

直接轉矩控制技術用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制電機的轉矩，采用定子磁場定向，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能。基于兩點Bang-Bang式直接轉矩控制闡述了直接轉矩控制下的永磁同步電動機磁鏈和轉矩控制原理。其后給出了基于模糊PI和SVPWM的直接轉矩控制系統的原理方框圖，并就各個部分進行了詳細論述。從整個控制系統來看，直接轉

永磁同步電動機直接轉矩控制系統，在深入分析了永磁同步電動機數學模型的基礎上通過Matlab建立了磁鏈模塊、轉矩模塊、SVPWM和模糊PI等模塊，實現了基于模糊PI調節、SVPWM調制的直接轉矩控制系統的閉環仿真平臺，并在此基礎上進行了大量的仿真研究。通過仿真模型的仿真實驗結果，從仿真波形可以看出，采用直接轉矩控制策略的永磁同步電機控制系統的轉矩和定子磁鏈脈動小，轉速響應速度快，對于負載波動的適應能力強，表明該系統能平穩運行，具有較好動態特性。

3永磁同步電動機直接轉矩控制硬件和軟件設計

利用DSP來控制各類電機，不僅能方便地實現控制電路，并且能完成各種復雜的、高性能的控制策略。本系統采用TI公司的TMS320F2812是面向電機控制具有特殊設計的DSP，具有高達150MIPS的高速數據處理能力和豐富外設資源，所需的外圍電路得到了很大簡化，系統成本降低，并具有很高的可靠性，因此在電機的全數字控制系統中得到了廣泛的應用。以DSP為核心控制器件的永磁同步電動機直接轉矩控制系統框圖如圖5-1所示，硬件的基本構成主要由控制模塊、驅動模塊、反饋模塊、保護電路以及顯示模塊等組成。

圖2 直接轉矩控制系統框圖

系統直流電壓源由整流橋，電容C1、C2和電阻R3構成。220V正弦交流電經兩相不可控整流橋整流，再經電容C1、C2濾波后作為三相逆變橋的直流電壓源。電容C1既作為濾波電容濾除電壓中的低次諧波，又作為儲能電容儲存電機繞組續流時回饋的能量。在系統控制器中，DSP TMS320F2812作為核心完成系統的所有運算任務。光電編碼器采集的轉子位置信號在差分接收后，經光電隔離送人DSP的正交編碼引腳，在DSP程序中完成角度和速度運算。通過電流霍爾傳感器采集的A、B相電流經濾波、限幅處理后送入DSP的A/D轉換引腳。DSP在中斷子程序中完成3/2變換、磁鏈估計和轉矩估計等運算，控制信號經SVPWM模塊調制后由DSP的PWM引腳輸出，經光電隔離后送入驅動電路。

對任何控制系統來說，準確、可靠的軟件是系統能夠高性能運行的重要保證。該系統的軟件部分由DSP的C語言程序實現，主要包括以下幾個部分：

（1）轉子位置角、轉速計算；

（2）電流、電壓采樣；

（3）3/2變換及2/2逆變換；

（4）磁鏈估計；

（5）轉矩估計；

（6）速度環模糊PI調節；

（7）磁鏈、轉矩PI調節器；

（8）空間電壓矢量脈寬調制；

這些模塊相互配合組成整個控制系統。

4系統實驗及驗證

通過對以TMS320F2812為核心的永磁同步電動機直接轉矩控制系統的實驗測試，實驗結果表明，常規DTC具有快速的動態響應性能但是轉矩脈動較大；而基于SVPWM和模糊PI的直接轉矩控制控制系統具有較快的動態響應特性，又有效地抑制了轉矩的脈動，電流波形畸變減小，抗干擾能力強。

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