基于DSP對永磁同步電機直接轉矩控制技術的研究

摘 要：直接轉矩控制是眾多電機控制方法中應用最為廣泛的一種，但實際工程應用中存在觀測誤差較大、轉矩脈動較大等問題。因此，如何實現(xiàn)永磁同步電機的直接轉矩控制是一件具有非常重要意義的工作。DSP技術是一種重要的控制策略，其廣泛應用于控制領域的方方面面，文章就基于DSP對永磁同步電機直接轉矩控制技術進行了研究。

關鍵詞：DSP；永磁同步電機；直接轉矩控制

1 引言

電機是一種電磁裝置，它通過磁場的相互作用，實現(xiàn)了電能和機械能的相互轉換。電機的控制策略有很多，而直接轉矩控制是其中應有最為廣泛的一種[1]。直接轉矩控制具有結構簡單，響應速度快等優(yōu)勢，且實現(xiàn)簡單，成本低廉。但在實際應用過程中，存在很多缺點，如：觀測誤差較大、轉矩脈動較大等問題。因此，如何實現(xiàn)永磁同步電機的直接轉矩控制是一件具有非常重要意義的工作。而DSP技術是一種重要的控制策略，其廣泛應用于控制領域的方方面面，本文就基于DSP對永磁同步電機直接轉矩控制技術進行了研究。

2 永磁同步電機（PMSM）控制策略介紹

近十年以來，隨著科技的快速發(fā)展，永磁同步電機調速系統(tǒng)已經(jīng)成為交流電機控制的熱點問題。它與傳統(tǒng)的電機相比，具有非常獨特的優(yōu)勢。例如：結構簡單、運行穩(wěn)定性強、能耗低、效率高。另外，隨著，近年來永磁材料的成本越來越低、材料性能和工藝性能也不斷的完善。使其在國防、工業(yè)及農業(yè)領域之中應用越來越廣泛[2]。

在控制策略方面，矢量控制以高精度和高動態(tài)響應性能，成為永磁同步電機控制的主流，而由于高精密數(shù)控機床領域對高精密伺服控制的要求逐步強烈，永磁同步控制技術逐漸浮出水面。數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科[3]。而基于DSP的轉矩控制以其獨特和良好的控制效果，成為了最新的控制熱點問題。

3 永磁同步電機直接轉矩控制控制系統(tǒng)設計

3.1 直接轉矩控制控制原理圖

永磁同步電機的控制原理圖如圖1所示，通過對系統(tǒng)中逆變器輸出的逆變器電壓和三相相電流檢測，對定子磁鏈及電機的電磁轉矩利用相關數(shù)學模型進行計算，并將計算結果作為輸出結果輸出。然后依據(jù)實際轉速與設定轉速的偏差值，通過反饋及信號放大，通過相關的邏輯選擇表，確定出合適的控制開關量，最終完成電機的整體控制[4]。

3.2 空間電壓矢量

在逆變器供電的情況下，整個控制系統(tǒng)中，逆變器開關器件和電機繞組連接。一般來說，系統(tǒng)之中的電壓型逆變器選擇為180°的導通型[5]。采用這樣的設計，可利用三個開關信號實現(xiàn)六個器件的通斷，分別為：開關信號Sa、Sb、Sc控制。當信號為“1”時，表示相上的橋臂導通；而當信號為“0”時，表示下橋臂元件的導通。這樣在系統(tǒng)中就利用六個有效電壓矢量及兩個零電壓矢量實現(xiàn)各個元器件的空間矢量控制。

3.3 轉矩控制

在永磁同步電機控制過程中，當定子磁鏈為固定值時，隨著轉子磁鏈夾角和定子的改變電機的電磁轉矩也會產生變化。因此，在整個控制系統(tǒng)中，必須盡快改變轉子磁鏈和定子夾角實現(xiàn)電機轉矩的快速響應。而在直接轉矩控制過程中，永磁同步電機與異步電機的電壓在矢量選擇的情況下，往往是不同的[6]。在永磁同步電機的控制過程中，空間矢量往往選用零電壓。雖然定子磁鏈可保持不變的位置，然而轉子磁極永磁磁場和定子磁鏈一直是處于相互作用的狀態(tài)，這樣電機轉矩往往是沒有發(fā)生顯著的變化。而在零電壓矢量中的應用效果，往往因其有效性不同，使其在永磁同步電機直接轉矩控制中受到了一定的限制。若想在電機控制過程中減小轉矩必須大量使用反向電壓矢量，這也是電機轉矩控制的重點和難點。在本文的控制系統(tǒng)之中，當電機電磁轉矩小于設定值時，可以使磁鏈沿原來方向旋轉的電壓矢量，這樣電機電磁時間遠遠小于電機的時間常數(shù)。在本文的系統(tǒng)中是采用定子磁鏈不間斷地持續(xù)進退，以達到良好快速轉速動態(tài)控制。

3.4 磁鏈控制

在永磁同步電機的定子上逆變器的輸出電壓將會直接進行加載，通過相關的計算，可以得到定子磁鏈空間矢量頂點在每個時間節(jié)點上的軌跡和運動方向，而對于電壓空間矢量的作用方向而言，電機矢量的運動軌跡與相關軌跡的指示方向是平行的。而平行度越高必須要保證定子電阻的電壓降足夠的小。在電壓矢量空間選擇過程之中，整個空間矢量分為六個區(qū)域，每一個區(qū)域分別對應不同的電壓空間矢量，在整個電機控制過程之中，通過選擇相關的空間矢量以實現(xiàn)電機的控制。

3.5 開關表

在永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)中，可通過轉矩、實際磁鏈和相對應的給定值之間的差值，通過系統(tǒng)之中的0，1信號控制來實現(xiàn)轉矩值的增大或減小。為獲得更優(yōu)化的控制性能，必須對磁鏈幅值及當前轉矩的控制要求進行綜合考慮。而在整個控制系統(tǒng)中，零矢量是用來維持當前轉矩不變的關鍵，依據(jù)運動矢量與零矢量的差值，可依據(jù)電機開關表中的各種轉矩狀態(tài)，將其分為三類，分別為：減小、保持以及增加。通過選擇相應的開關表之中的控制矢量，經(jīng)過相關的計算以實現(xiàn)永磁同步電機的各種直接轉矩控制。

參考文獻

[1]李永東.交流電機直接轉矩控制策略綜述.變頻器世界.2011.4：5-9.

[2]王煥鋼、徐文立等.一種新型的感應電機直接轉矩控制.中國電機工程學報.2011，24（1）：107-111.

[3]王兆安，楊君.變頻調速技術及應用.中國能源.2008，（7）.

[4]馬寶慶.電動機控制技術.武漢：華中理工大學出版社，2010.8.

[5]劉風君.正弦波逆變器.北京：科學出版社.2011.2.

[6]李夙.異步電動機直接轉矩控制.北京：機械工業(yè)出版社，2009.8，1-132

[7]張崇巍，張興等.PWM整流器及其控制.北京：機械工業(yè)出版杜，2011.

[8]高景德，王祥珩，李發(fā)海.交流電機及其系統(tǒng)的分析（第二版）.北京：清華大學出版社.2011.369-383.