表面式永磁同步電機直接轉矩控制系統自適應變幅值電壓矢量選擇策略研究＊

李耀華，任佳越，師浩浩，楊啟東，孟祥臻，曲亞飛

（長安大學汽車學院，西安710064）

1 引言

永磁同步電機直接轉矩控制技術動態性能好、魯棒性強，已成為學術界的研究熱點[1]-[5]。基于開關表的直接轉矩控制技術由轉矩和定子磁鏈幅值誤差信號及定子磁鏈角位置，根據開關表查表選擇基本電壓矢量來實現對轉矩和磁鏈的增減控制。研究表明：基于開關表的直接轉矩控制所選擇的電壓矢量不能同時始終滿足磁鏈和轉矩的控制要求，從而產生不合理轉矩脈動，并進一步得出了永磁同步電機直接轉矩控制系統電壓矢量選擇區域[6]-[9]。凡是相角位于選擇區域的電壓矢量均可實現對磁鏈和轉矩的正確控制。電壓矢量幅值越大，電壓矢量對轉矩和磁鏈的作用效果也越大。本文基于表面式永磁同步電機直接轉矩控制系統電壓矢量選擇區域，令選擇的電壓矢量相角為選擇區域角平分線，分析了大幅值電壓矢量和小幅值電壓矢量作用下的表面式永磁同步電機直接轉矩控制電壓矢量選擇系統控制效果，并基于選擇兩種不同幅值電壓矢量的控制效果，給出了一種自適應變幅值電壓矢量選擇策略。仿真結果表明：本文給出的自適應變幅值電壓矢量選擇策略在動態時選擇幅值較大電壓矢量，提高了系統動態性能，在靜態時選擇幅值較小電壓矢量，減小了磁鏈和轉矩脈動。相比較固定幅值電壓矢量選擇策略，評價函數均值、轉矩脈動均方根誤差和磁鏈脈動均方根誤差均有所優化。

2 表面式永磁同步電機直接轉矩控制電壓矢量選擇系統

在定子磁鏈x-y坐標下，表面式永磁同步電機直接轉矩控制系統電壓矢量選擇區域如圖1所示[8]。理論上，只要位于選擇區域的電壓矢量均可滿足直接轉矩控制系統對磁鏈和轉矩的增減控制要求。

圖1 表面式永磁同步電機直接轉矩控制系統電壓矢量選擇區域

表面式永磁同步電機直接轉矩控制電壓矢量選擇系統如圖2所示。

圖2 表面式永磁同步電機直接轉矩控制電壓矢量選擇系統

基于Matlab/Simulink建立表面式永磁同步直接轉矩控制電壓矢量選擇系統仿真模型。仿真參數如下：系統采樣周期為5×10-5s；參考轉速為60rpm，參考轉矩初始為10N·m，0.3s時階躍至30N·m，參考定子磁鏈幅值為0.3Wb。轉矩滯環寬度為0.02N·m；定子磁鏈幅值滯環寬度為0.002Wb。仿真用表面式永磁同步電機參數如表1所示。

表1 仿真用表面式永磁同步電機參數

圖3 電機轉速

圖4 定子磁鏈幅值

圖5 定子磁鏈幅值誤差

圖6 電機轉矩

圖7 電機轉矩誤差

由仿真波形可知，由于施加電壓矢量幅值較小，轉矩響應慢，無法快速跟蹤負載轉矩變化，從而產生較大的轉速跌落和轉矩誤差。

本文定義評價函數m如式（1）所示，評價函數波形如圖8所示。

圖8 評價函數波形

本文將評價函數均值、轉矩脈動均方根誤差和磁鏈脈動均方根誤差作為評價指標，分別如式（2）-（4）所示，其中n為樣本數量。

表2 評價函數均值、轉矩脈動和磁鏈脈動均方根誤差計算結果

圖9 電機轉速

圖10 定子磁鏈幅值

圖11 定子磁鏈幅值誤差

圖12 電機轉矩

圖13 電機轉矩誤差

圖14 評價函數波形

由仿真波形可知，由于施加電壓矢量幅值較大，轉矩響應快，能夠快速跟蹤負載轉矩變化，但穩態下磁鏈和轉矩脈動明顯增大。

表3 評價函數均值、轉矩脈動和磁鏈脈動均方根誤差計算結果

3 自適應變幅值電壓矢量選擇策略

因此，本文給出一種自適應變幅值電壓矢量選擇策略。當系統處于動態時，直接轉矩控制系統選擇幅值為的電壓矢量，當系統處于靜態時，直接轉矩控制系統選擇幅值為的電壓矢量。當轉速、磁鏈和轉矩誤差滿足式（5），則判定系統處于靜態，否則判定系統處于動態。

自適應變幅值電壓矢量選擇策略控制下，電機控制系統施加的電壓矢量幅值（圖中，1表示幅值為表示幅值為）、電機轉速、定子磁鏈幅值、磁鏈誤差、電機轉矩、轉矩誤差和評價函數波形分別如圖15-圖21所示。

圖15 系統施加的電壓矢量幅值

圖16 電機轉速

圖17 定子磁鏈幅值

圖18 定子磁鏈幅值誤差

圖19 電機轉矩

圖20 電機轉矩誤差

圖21 評價函數波形

由仿真波形可知，由于自適應變幅值電壓矢量選擇策略在動態時施加的電壓矢量幅值較大，轉矩響應快，能夠快速跟蹤負載轉矩變化，在穩態時施加的電壓矢量幅值較小，磁鏈和轉矩脈動顯著減小。

自適應變幅值電壓矢量選擇策略控制下，評價函數均值、轉矩脈動均方根誤差和磁鏈脈動均方根誤差如表4所示。

表4 評價函數均值、轉矩脈動和磁鏈脈動均方根誤差計算結果

4 結束語

本文基于表面式永磁同步電機直接轉矩控制系統電壓矢量選擇區域，令選擇的電壓矢量相角為選擇區域角平分線，分析了大幅值電壓矢量和小幅值電壓矢量作用下的表面式永磁同步電機直接轉矩控制電壓矢量選擇系統控制效果，并基于選擇兩種不同幅值電壓矢量的控制效果，給出了一種自適應變幅值電壓矢量選擇策略。仿真結果表明：本文給出的自適應變幅值電壓矢量選擇策略在動態時選擇幅值較大電壓矢量，提高了系統動態性能，在靜態時選擇幅值較小電壓矢量，減小了磁鏈和轉矩脈動。相比較固定幅值電壓矢量選擇策略，評價函數均值、轉矩脈動均方根誤差和磁鏈脈動均方根誤差均有所優化。