一種簡單的永磁同步電機SVM直接轉矩控制研究

摘 要：傳統的直接轉矩控制運用磁鏈和轉矩雙滯環比較器控制，基于6個基本電壓矢量設計離散開關表控制開關的通斷，具有磁鏈和轉矩脈動大，開關頻率不穩定等缺點。本文研究了一種簡單的永磁同步電機（SVM）的直接轉矩控制方法，用于計算在一個采樣周期內準確的電壓矢量，來補償磁鏈和轉矩的誤差。仿真實驗結果表明，該方法能夠有效地減小磁鏈和轉矩脈動，降低諧波畸變，提高電機的運行性能。

關鍵詞：SVM；直接轉矩控制；磁鏈脈動；轉矩脈動

中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）04-0030-04

Abstract：The traditional direct torque control（DTC）is controlled by magnetic chain and torque double hysteresis comparator. Based on 6 basic voltage vectors，a discrete switch table control switch is designed，which has the disadvantages of large flux and torque ripple，unstable switching frequency and so on. A simple（SVM）direct torque control method for permanent magnet synchronous motor（PMSM）is studied in this paper，which is used to calculate the accuracy of voltage vectors in a sampling period to compensate the error of the magnetic chain and torque. The simulation results show that this method can effectively reduce the flux linkage and torque ripple，reduce the harmonic distortion and improve the motor performance.

Keywords：SVM；direct torque control；flux ripple；torque ripple

0 引 言

永磁同步電機由于結構簡單、磁密度強以及效率高被廣泛應用在數控機床、電梯控制和電動汽車等領域。它具有結構簡單、響應快且不依賴電機參數等優點[1，2]。直接轉矩控制根據磁鏈和轉矩雙滯環的輸出作為開關表的輸入實現對電機磁鏈和轉矩的雙閉環控制。由于每個采樣周期只作用一個電壓矢量，導致磁鏈在滯環帶內波動，甚至會超出滯環的容差，而磁鏈的精確度直接決定轉矩的精確度，這就是直接轉矩控制磁鏈和轉矩脈動的原因。同時，由于原力矩、轉速和負載等方面的影響，同樣的電壓矢量會產生不同的磁鏈和轉矩效果，這就導致了開關頻率的不恒定。

針對以上問題，很多學者進行了深入的研究，如扇區細分和占空比控制相合的永磁同步電機直接轉矩控制[3]、離散電壓矢量法[4]和空間電壓矢量方法[5，6]。文獻[3]分析了不同矢量電壓控制造成的磁鏈和轉矩的不對稱性，將扇區細分為18扇區，對電壓矢量進行優化，并基于轉矩增量計算占空比，改善了磁鏈運行的軌跡，減小了電磁轉矩脈動。但是該方法對磁鏈不對性的減小沒有給出具體的數據分析，缺乏具體的理論支持。文獻[4]運用電壓-電流磁鏈模型與電流-轉速磁鏈模型的切換，運用離散電壓空間電壓矢量調制技術獲得了更多的有效電壓矢量，減小了轉矩脈動。但是該方法電壓-電流磁鏈模型與電流-轉速模型的切換需要處理器進行詳細地計算，會出現由于耗時導致的時延情況。

本文分析了磁鏈和轉矩的脈動原因，采用了一種簡單的電壓矢量控制方法，計算在一個采樣周期內準確的電壓矢量，來補償磁鏈和轉矩的誤差。仿真結果表明該方法能夠有效地減小磁鏈和轉矩脈動，降低諧波畸變。

1 傳統的直接轉矩控制

直接轉矩控制首先由Takahashi和Noguchi提出，主要應用于中低功率感應電機領域[7，8]。后來，由Depenbrock提出應用在大功率領域。DTC由于結構思路簡單、不需要復雜的坐標變換和電壓解耦控制、響應速度快以及魯棒性強等優點得到了廣泛的應用。

傳統的DTC的基本的數學模型如圖1所示。兩個定子電流（isa和isb）和直流母線電壓VDC被采樣。d-q軸的定子電壓和電流矢量，定子磁鏈和電磁轉矩也根據采樣電壓和電流按下式計算。

定子磁鏈和電磁轉矩的幅值與他們的參考值按照圖2所示的滯環比較器進行比較，其輸出作為開關量表（如表1所示）的輸入來選擇最優的電壓矢量。有8個基本的電壓矢量，其中包括2個零矢量，如圖3所示。每個選中的最優電壓矢量在一個采樣周期中起改變磁鏈和轉矩的作用。因此，對于誤差較小的磁鏈和轉矩，在一個周期中有可能轉矩會超出滯環的帶寬，從而導致磁鏈和轉矩的較大脈動。因此采用SVM（空間矢量調制）技術調節每個采樣周期作用的電壓矢量的大小和方向能有效地抑制磁鏈和轉矩的脈動，改善電機的控制性能。

2 SVM-DTC控制方法

傳統的DTC由于一個采樣周期只有一個電壓矢量持續作用，導致磁鏈和轉矩脈動大，功率開關頻率不穩定。SVM技術在20世紀80年代后期由德國的研究團隊提出，在理論上和實踐上都取得了不錯的進展。SVM-DTC技術有以下幾個優點：直流母線電壓的最優化應用、低的轉矩脈動、低的諧波畸變、低的開關損失和比較容易實現數字化處理等。在每一個采樣周期，一個預測方法應用來獲得電壓開關矢量，以補償磁鏈和轉矩的脈動。轉矩脈動減小了，開關頻率也維持恒定。SVM技術在一個開關周期（TZ）應用零電壓矢量和兩個相鄰的電壓矢量生成參考電壓矢量，如圖4所示。

參考電壓在穩態的時候是恒壓恒頻的，每個TZ采樣一次。在采樣周期，逆變器開關動作，以便于保證在不同的開關狀態，不同的占空比，采樣周期內產生的平均電壓在負值和角度方面都等于參考電壓值。在一個采樣周期TZ中，有效的開關狀態是SA和SB，對應的電壓矢量是V1和V2。兩個開關狀態SA和就是有效開關狀態，SA指的是逆變器開關狀態（001）、（100）或（010），而SB指的是開關狀態（101）、（110）或（011）。T1和T2分別是作用于開關狀態SA和SB的時間。零電壓矢量T0和T7分別作用的開關狀態是S0和S7。因此，在DTC中應用SVM技術，能夠根據滯環比較器的輸出來準確地計算需要的電壓矢量的大小和方向，從而準確地控制磁鏈和轉矩。而且在每個采樣周期TZ中，能夠保證每個開關開通一次，以此確保開關頻率恒定。

3 仿真結果

本文對兩個控制方法做了對比分析，一個是傳統的DTC技術，一個是SVM-DTC技術，給出了以下實驗驗證。兩種方法對應的電機參數如表2所示。

如圖5-10所示，顯示了永磁同步電機傳統的和SVM-DTC兩種方法的穩態運行狀態。圖5-6、圖7-8和圖9-10分別顯示了兩種方法的定子磁鏈、電磁轉矩和定子電流的對比。實驗證明，應用SVM-DTC技術后，定子磁鏈、轉矩脈動和定子電流的脈動都減小了，電機的控制性能有很大的提高。

4 結 論

在傳統的DTC技術中，磁鏈和轉矩的受磁鏈滯環和轉矩滯環的控制，在一個采樣周期只有一個最優電壓矢量作用，磁鏈和轉矩脈動較大，開關頻率隨速度和負載的變化也在變化。尤其在低速的時候，轉矩脈動存在很大的問題。SVM-DTC技術在一個采樣周期內應用兩個相鄰的電壓矢量和零電壓矢量共同作用，可以產生任意大小和方向的電壓矢量，正好補償磁鏈和轉矩的誤差，從而有效地抑制了轉矩脈動，又能確保開關頻率恒定，改善了電機的控制性能。

參考文獻：

[1] 牛峰，李奎，王堯.基于占空比調制的永磁同步電機直接轉矩控制 [J].電工技術學報，2014，29（11）：20-29.

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[3] 徐艷平，鐘彥儒.扇區細分和占空比控制相結合的永磁同步電機直接轉矩控制 [J].中國電機工程學報，2009，29（3）：102-108.

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[5] 袁登科，陶生桂.一種感應電機直接轉矩控制系統性能改善方案 [J].中國電機工程學報，2005（8）：151-155.

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[7] Takashi I.，Noguchi T.“A new quick-response and high-efficiency control of an induction motor”IEEE Trans. Industry Applications，1986，IA-22（5）：820-827.

[8] Depenbrock M.“Direct self control（DSC）of inverter-fed induction machines”IEEE Trans.Power Electronics，1988，3（4）：420-429.

作者簡介：唐美玲（1975-），女，漢族，副教授，博士研究生。研究方向：電機控制、電力電子與電力傳動。