基于SVPWM的永磁同步電機直接轉矩控制探索

戴 芳

(湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲 412001)

基于SVPWM的永磁同步電機直接轉矩控制探索

戴 芳

(湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲 412001)

永磁電機控制系統采用直接轉矩控制策略，大大促進了結構優化，基于SVPWM進行轉矩控制可以有效改善電流狀態。由此，筆者基于SVPWM并集合利用Matlab全面對基于直接轉矩控制的永磁同步電機控制系統進行探索，目的是改善穩態轉矩和穩態電流，為進一步實驗系統樣機制作提供了一定的理論基礎。

直接轉矩控制；永磁同步電動機；SVPWM

一、引言

永磁同步電動機(PMSM)因其高功率密度、高轉矩和免維修等原因，廣泛應用于高效驅動領域。空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術是在一個控制周期內，通過相鄰基本電壓矢量和零電壓矢量合成得到所需的任意電壓矢量，實現電壓矢量的線性連續可調的技術。本文運用了一種基于空間矢量脈寬調制(SVPWM)的永磁同步電機的直接轉矩控制算法，其原理是根據轉矩和定子磁鏈的誤差，通過驅使誤差為零的原則確定參考電壓空間矢量，然后通過SVPWM技術合成該矢量。本文基于SVPWM對永磁同步電機直接轉矩控制探索。同時對直接轉矩控制系統進行系統的搭建，同時加入空間電壓矢量控制提高系統穩態轉矩和電流，降低轉矩脈動，并進行了必要的分析。

二、直接轉矩控制

直接轉矩控制(Direct torque control，簡稱DTC)是一種變頻器控制三相馬達轉矩的方式。其作法是依量測到的馬達電壓及電流，去計算馬達磁通和轉矩的估測值，而在控制轉矩后，也可以控制馬達的速度，直接轉矩控制是歐洲ABB公司的專利。在直接轉矩控制中，定子磁通用定子電壓積分而得。而轉矩是以估測的定子磁通向量和量測到的電流向量外積為估測值。磁通和轉矩會和參考值比較，若磁通或轉矩和參考值的誤差超過允許值，變頻器中的功率晶體會切換，使磁通或轉矩的誤差可以盡快縮小。因此直接轉矩控制也可以視為一種磁滯或繼電器式控制。

三、永磁同步電動機及轉矩控制

(一)基于SVPWM的永磁同步電機

20世紀90年代前，由于技術成本等原因，國內伺服電機以直流永磁有刷電機和步進電機為主，而且主要集中在機床和國防軍工行業。1990年以后，進口永磁交流伺服電機系統逐步進入中國，此期間得益于稀土永磁材料的發展、電力電子及微電子技術日新月異的進步，交流伺服電機的驅動技術也很快從模擬式過渡到全數字式。由于交流伺服電機的驅動裝置采用了先進全數字式驅動控制技術，硬件結構簡單，參數調整方便，產品生產的一致性可靠性增加，同時可集成復雜的電機控制算法和智能化控制功能，如增益自動調整、網絡通訊功能等，大大拓展了交流伺服電機的適用領域；另外隨著各行業，如機床、印刷設備、包裝設備、紡織設備、激光加工設備、機器人、自動化生產線等，對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求不斷提高，這些領域對交流伺服電機的需求將迅猛增長，交流伺服將逐步替代原有直流有刷伺服電機和步進電機。

正弦波交流伺服系統綜合了伺服電動機、角速度和角位移傳感器的最新成就，與采用新型電力電子器件、專用集成電路和專用控制算法的交流伺服驅動器相匹配，組成新型高性能機電一體化產品。使原有的直流伺服系統面臨淘汰的危機，成為當今世界伺服驅動的主流及發展方向。

永磁同步電動機要求輸入定子繞組的電源仍然是三相正弦波形。(PM·SM)無刷直流電動機(BLDCM)，用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極，將原直流電動機的電樞變為定子。有刷直流電動機是依靠機械換向器將直流電流轉換為近似梯形波的交流電流供給電樞繞組，而無刷直流電動機(BLDCM)是將方波電流(實際上也是梯形波)直接輸入定子。將有刷直流電動機的定子和轉子顛倒一下，并采用永磁轉子，就可以省去機械換向器和電刷，由此得名無刷直流電動機。BLDCM定子每相感應電動勢為梯形波，為了產生恒定的電磁轉矩，要求功率逆變器向BLDCM定子輸入三相對稱方波電流，而SPWM、PM、SM定子每相感應電動勢為近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子輸入三相對稱正弦波電流。

(二)轉矩控制

永磁同步電機的磁場來自電動機的轉子上的永久磁鐵，永久磁鐵的特性在很大程度上決定了電機的特性，目前采用的永磁材料主要有鐵淦氧，鋁鎳鈷，釹鐵硼以及SmCO5 Sm2CO17。在轉子上安裝永磁鐵的方式有兩種。一種是將成形永久磁鐵裝在轉子表面，即所謂外裝式；另一種是將形成永久磁鐵埋入轉子里面，即所謂內裝式。永久磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。根據確定的轉子結構所對應的每相勵磁磁動勢的分布不同，三相永磁同步電動機可分為兩種類型：正弦波型和方波型永磁同步電機，前者每相勵磁磁動勢分布是正弦波狀，后者每相勵磁磁動勢分布呈方波狀，根據子路結構和永磁體形狀的不同而不同。

控制原理相似，給定指令信號加到AC伺服系統的輸入端，電動機軸上位置反饋信號與給定位置相比較，根據比較結果控制伺服的運動，直至達到所要求的位置為止。PM、SM和BLDCM二類伺服系統構成的基本思路是一致的。兩種永磁無刷電動機比較而言，方波無刷直流電動機具有控制簡單、成本低、檢測裝置簡單、系統實現起來相對容易等優點。但是方波無刷直流電動機原理上存在固有缺陷，因電樞中電流和電樞磁勢移動的不連續性而存在電磁脈動，而這種脈動在高速運轉時產生噪聲，在中低速又是平穩的力矩驅動的主要障礙。轉矩脈動又使得電機速度控制特性惡化，從而限制了由其構成的方波無刷直流電動機伺服系統在高精度、高性能要求的伺服驅動場合下的應用(尤其是在低速直接驅動場合)。

由于直流伺服電動機存在機械結構復雜，維修工作量大包括電刷、換向器等則成為直流伺服驅動技術發展的瓶頸。隨著微處理技術、大功率電力電子技術的成熟和電機永磁材料的發展和成本降低，交流伺服系統得到長足發展并將逐步取代直流伺服系統。

控制電機運轉必須的三根電纜：動力電纜；電機動力線，電機編碼器線。控制信號：位置控制——(脈沖方向輸入3，4，5，6)；速度控制——(仿真量輸入14，15 0到±10V)

扭矩控制——(模擬量輸入14,15)。其他輔助控制功能：10點輸入：①伺服使能②模式選擇③增益切換④報警清除；6點輸出：①報警(ALM)②準備(S-RDY)③制動器釋放(BRK-OFF)④零速檢測(ZSP)⑤轉矩控制TLC。⑥定位完成或者速度到達。它比步進系統就多了一個編碼器反饋，構成了一個死循環系統，當然這個死循環僅僅是相對而言。伺服系統現在逐漸取代了步進系統，所以大家會逐漸熟悉。

四、結束語

本文首先分析了空間矢量脈寬調制(SVPWM)的基本原理，并提出了基于SVPWM的直接轉矩控制策略，實現了電壓矢量的連續可調。在MATLAB/Simulink環境下對系統多種運行狀態進行了仿真。結果表明，該控制策略具有快速的動態響應，有效減小了轉矩、磁鏈的波動以及電流的畸變，大大改善了永磁同步電機直接轉矩控制的穩態性能。

[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]歐陽紅林.多相永磁同步電動機調速系統控制方法的研究[D].湖南大學博士學位論文,2005:1-2.

[3]王成元,夏加寬,孫宜標.現代電機控制技術[M].北京:機械工業出版社,2008(8).