永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)開關(guān)表分析

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（1.長安大學(xué) “交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能”陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.中航工業(yè)陜西飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，陜西 漢中 723213）

1 引言

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，無需連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信息和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛的關(guān)注［1］。永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩比較器輸出以及定子磁鏈扇區(qū)，通過開關(guān)表選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶浚鐖D1所示。因此，永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一種滯環(huán)控制。開關(guān)表作為滯環(huán)控制規(guī)律，對系統(tǒng)的控制性能起著決定性的作用。

研究表明，當(dāng)轉(zhuǎn)矩角較大時(shí)，永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)傳統(tǒng)開關(guān)表不能滿足轉(zhuǎn)矩控制要求，從而引發(fā)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)［2］。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制框圖Fig.1 The diagram of DTC

采用三相和兩相混合導(dǎo)通方式，兩電平電壓源逆變器可以產(chǎn)生12個(gè)互差30°相角的電壓矢量。將定子磁鏈圓均分為12個(gè)各占30°的磁鏈扇區(qū)，這樣1個(gè)扇區(qū)內(nèi)可用電壓矢量數(shù)目增加到12個(gè)。由此，基于電壓矢量對轉(zhuǎn)矩的作用，文獻(xiàn)［3］提出一個(gè)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的優(yōu)化開關(guān)表。仿真結(jié)果表明相比于傳統(tǒng)開關(guān)表，其可有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

本文實(shí)驗(yàn)對比了傳統(tǒng)開關(guān)表和基于12電壓矢量優(yōu)化開關(guān)表的控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然采用兩相導(dǎo)通方式，逆變器能夠產(chǎn)生新的可用電壓矢量，有助于優(yōu)化開關(guān)表來減小因開關(guān)表失效引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是其引入了換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題［4］，實(shí)際系統(tǒng)控制效果并沒有得到改善。

2 傳統(tǒng)開關(guān)表

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)傳統(tǒng)開關(guān)表如表1所示，其中電壓矢量以及定子磁鏈扇區(qū)如圖2所示。

表1 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制傳統(tǒng)開關(guān)表Tab.1 Conventional switching table of PMSM DTC

圖2 定子磁鏈扇區(qū)及電壓矢量Fig.2 Voltage vectors and stator flux sectors

圖2中的電壓矢量為兩電平電壓源逆變器采用三相導(dǎo)通方式生成的。為了保持電壓矢量在1個(gè)扇區(qū)內(nèi)對定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩角增減效果的一致性，表1在1個(gè)扇區(qū)內(nèi)只有4個(gè)可用電壓矢量。

3 12電壓矢量開關(guān)表

采用兩相導(dǎo)通方式，兩電平電壓源逆變器可再生成6個(gè)互差60°相角的電壓矢量，如圖3所示。

三相導(dǎo)通方式下生成的電壓矢量幅值為（2／3）Udc，兩相導(dǎo)通方式下生成的電壓矢量幅值由于直接轉(zhuǎn)矩控制為滯環(huán)控制，電壓矢量的幅值并不影響電壓選擇策略。因此，三相導(dǎo)通和兩相導(dǎo)通方式下生成的電壓矢量均可應(yīng)用于永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。將定子磁鏈圓均分為12個(gè)扇區(qū)，則1個(gè)扇區(qū)內(nèi)可用電壓矢量數(shù)目為12個(gè)。兩電平電壓源逆變器采用三相和兩相混合導(dǎo)通方式生成的12電壓矢量及12定子磁鏈扇區(qū)如圖4所示。文獻(xiàn)［3］分析了這些電壓矢量對定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩的影響，從而得出一個(gè)優(yōu)化開關(guān)表，如表2所示。仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)開關(guān)表比較，優(yōu)化開關(guān)表可有效抑制因開關(guān)表失效引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖3 兩相導(dǎo)通方式下生成的電壓矢量Fig.3 Voltage vectors using two－phase connection

圖4 三相和兩相混合導(dǎo)通方式下生成的12非零電壓矢量及12定子磁鏈扇區(qū)Fig.4 12non－zero voltage vectors using 3－phase and two－phase connection and 12stator flux sectors

表2 基于12電壓矢量的優(yōu)化開關(guān)表Tab.2 Improved switching table using 12non－zero voltage vectors

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

下文給出表面式永磁同步電機(jī)和內(nèi)置式永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在表1和表2控制下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)參數(shù)為：表面式永磁同步電機(jī)，極對數(shù)p＝2，定子電阻Rs＝1.3Ω，d軸電感Ld＝4.54mH，q軸電感Lq＝4.54mH，永磁體磁鏈Ψf＝0.146Wb，最大相電流Imax＝5.4A；內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，極對數(shù)p＝6，定子電阻Rs＝0.014 2Ω，d軸電感Ld＝0.666 0mH，q軸電感Lq＝0.874 5mH，永磁體磁鏈Ψf＝0.06Wb，最大相電流Imax＝160A。

4.1 表面式永磁同步電機(jī)（SPMSM）

參考定子磁鏈幅值為0.146Wb，參考轉(zhuǎn)速為100r／min。定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制寬度為0.01Wb和0.01N·m。

4.1.1 傳統(tǒng)開關(guān)表

當(dāng)轉(zhuǎn)速為100r／min，電機(jī)空載時(shí)a相定子電流如圖5a所示。電機(jī)加載時(shí)，a相定子電流，c相定子電流和負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形如圖5b所示。

圖5 傳統(tǒng)開關(guān)表控制下SPMSM的ia，ic和TLFig.5 ia，icand TLof SPMSM using conventional switching table

4.1.2 優(yōu)化開關(guān)表

當(dāng)轉(zhuǎn)速為100r／min，電機(jī)空載時(shí)a相定子電流如圖6a所示。電機(jī)加載時(shí)a相定子電流，c相定子電流和負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形如圖6b所示。

圖6 優(yōu)化開關(guān)表控制下SPMSM的ia，ic和TLFig.6 ia，icand TLof SPMSM using optimal switching table

4.2 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（IPMSM）

直流母線電壓為15V。參考定子磁鏈幅值為0.06Wb，參考轉(zhuǎn)速為100r／min。定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制寬度為0.01Wb和0.01N·m。

4.2.1 傳統(tǒng)開關(guān)表

當(dāng)轉(zhuǎn)速為100r／min，電機(jī)空載時(shí)a相定子電流如圖7a所示。電機(jī)加載時(shí)a相定子電流波形如圖7b所示。

圖7 傳統(tǒng)開關(guān)表控制下IPMSM的iaFig.7 iaof IPMSM using conventional switching table

4.2.2 優(yōu)化開關(guān)表

當(dāng)轉(zhuǎn)速為100r／min，電機(jī)空載時(shí)a相定子電流如圖8a所示。電機(jī)加載時(shí)a相定子電流波形如圖8b所示。

圖8 優(yōu)化開關(guān)表控制下IPMSM的iaFig.8 iaof IPMSM using optimal switching table

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)開關(guān)表相比，基于12電壓矢量的優(yōu)化開關(guān)表控制下的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能并沒有得到改善，相反電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有所增大。這是由于兩相導(dǎo)通方式帶來的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的。文獻(xiàn)［3］的仿真結(jié)果忽略了換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)際上換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)惡化了控制性能，抵消了優(yōu)化開關(guān)表對性能的改善。

5 結(jié)論

本文分析了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)開關(guān)表以及基于12電壓矢量的優(yōu)化開關(guān)表，并實(shí)驗(yàn)對比了表面式和內(nèi)置式永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在不同開關(guān)表控制下的系統(tǒng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然采用三相和兩相混合導(dǎo)通方式能夠產(chǎn)生更多的可用電壓矢量，從而可以優(yōu)化開關(guān)表，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是兩相導(dǎo)通帶來了換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得實(shí)際系統(tǒng)控制效果并沒有改善。因此，減小換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響是下一步的研究方向。

［1］Zhong L，Rahman M F，Hu W Y，etal.A Direct Torque Controller for Permanent Magnet Synchronous Motor Drives［J］.IEEE Trans.Energy Conversion.，1999，14（3）：637－642.

［2］李耀華，劉衛(wèi)國.永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制不合理轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2007，10（2）：148－152.

［3］李耀華，劉衛(wèi)國.永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制［J］.電氣傳動(dòng)，2008，38（3）：21－24.

［4］Carlson R，Lajoie－mazenc M，F(xiàn)agundes J.Analysis of Torque Ripple Due to Phase Commutation in Brushless DC Machines［J］.IEEE Trans.Industry Applications.，1992，28（3）：632－638.