永磁同步電機直接轉矩控制技術研究

羅浩 張雷

摘? 要：與異步電機相比，永磁同步電機具有結構簡單、功率因數高、轉矩慣量比大等優點。但是它也存在定子和轉矩脈動大，開關頻率不恒定等諸多問題。該文針對永磁同步電機直接轉矩控制中出現的轉矩脈動較大的問題，提出了一種永磁同步電機無磁鏈閉環直接轉矩模糊控制的方法。該方法采用模糊控制器作為轉速環的控制器，并去除磁鏈閉環，加入磁鏈限幅環節，將轉矩作為控制目標，通過模糊控制器的優化，得出系統具有良好動態性能和自適應性。

關鍵詞：永磁同步電機;直接轉矩;模糊控制

中圖分類號：TM351? ? ? ? 文獻標志碼：A

在現代高性能交流伺服系統中，永磁同步電機具有諸多優勢：如結構簡單、質量輕、功率因數高以及穩定可靠等。由于稀土材料的迅猛發展，永磁同步電機的生產成本大大降低，它漸漸替代異步電機成為各個領域應用的熱點對象，如航天飛行、導彈追蹤和電動汽車等領域均能看到它的身影。

直接轉矩控制技術（Direct Torque Control， DTC）將磁鏈和轉矩作為被控目標，通過篩選出合理的電壓矢量，直接對其進行控制，簡化了繁瑣的控制過程。它具有結構簡單，轉矩動態響應快，對轉子參數依賴性弱等特點。一經提出，便得到了普遍關注。

盡管直接轉矩控制技術擁有許多優點，但是由于轉矩和磁鏈調節系統中應用的滯環比較器存在遲滯缺陷，致使逆變器開關頻率不恒定且產生較大轉矩脈動。圍繞這些問題，專家提出了許多改進方案。例如基于占空比調制的直接轉矩控制、基于模型預測的直接轉矩控制技術等。該文基于空間矢量調制的基礎上，對永磁同步電機直接轉矩控制技術進行研究，提出了一種無磁鏈直接轉矩控制方案，并進行了模糊優化設計。

1 直接轉矩控制技術

直接轉矩控制技術是20世紀80年代提出的一種高性能電機控制方法，它省略了復雜的旋轉坐標變換，將逆變器和電機看作一個整體，直接對轉矩進行控制。這種方法最早應用于異步電機上，利用空間電壓矢量控制定子和轉子之間的差值達到控制的目的。不同于異步電機的是，永磁同步電機定子和轉子是同步旋轉的，它們之間不存在差值，因此，兩者的實現方法稍有差別。對于表面式結構的永磁同步電機，直軸電感等于交軸電感，即Ld=Lq，則轉矩方程可以表示為

由轉矩方程可以看見，電機的極對數np、電感Ls、轉子磁鏈Ψf都為設定值，不會發生改變。只有保持定子磁鏈幅值|Ψs|也為定值時，電磁轉矩Te才會跟隨轉矩角δf按上述公式描述的關系成比例變化。因此，直接轉矩控制的思想就是改變轉矩角，達到電機直接控制電磁轉矩的目的。

2 空間電壓矢量的選擇

直接轉矩控制技術依據電壓源逆變器提供的8個空間電壓矢量來補償，其中包括6個有效矢量和2個零矢量。

假設定子磁鏈Ψs位于第一扇區，并沿ωr逆時針方向旋轉。電壓矢量V2既增加磁鏈，也增大轉矩;同理，電壓矢量V5既減小磁鏈，也降低轉矩。利用電壓矢量V3雖增大轉矩但卻減小磁鏈，電壓矢量V6雖降低轉矩但卻增加磁鏈。當定子磁鏈Ψs處于其他幾個區域時，按照此規律同樣也可以推出相似結果。

3 無磁鏈直接轉矩控制系統的設計

永磁同步電機定子磁鏈的直接測量十分困難，通常將采集得到的電壓電流經過積分運算后得到磁鏈信息。但由于定子電阻的存在，采樣過程中產生誤差，所以，定子磁鏈測量的準確度不是很好，為了解決這類問題，該文提出了一種無磁鏈直接控制轉矩控制的方法，去掉了磁鏈閉環，讓系統的控制更加直接。

由轉矩的控制方程得

而

因此

又

通過公式可以得出，電磁轉矩與定子磁鏈的交軸分量Ψsq成正比，而定子磁鏈交軸分量隨時間t的變化率又與空間電壓矢量的交軸分量μsq成正比。因此，控制空間電壓矢量的交軸分量就可以控制電磁轉矩，而不用像轉矩磁鏈雙閉環系統那樣，保持定子磁鏈幅值不變，控制轉矩角來控制轉矩。這就意味著理論上可以去除磁鏈閉環，簡化系統結構，方便計算。

去除磁鏈閉環后，系統中只含有轉矩閉環。由于沒有磁鏈閉環，電機在運行過程中可能出現定子磁鏈飽和的現象，會影響電機控制的準確度，甚至導致電機速度超出規定范圍，產生危害。因此，無磁鏈閉環系統的設計還需要加入限幅環節，對定子磁鏈超出幅值的狀況進行限制。當定子磁鏈超出限定幅值后，需要設計一種新的逆變器電壓矢量開關表，設計該表的目的在于在保證電機穩定運行的基礎上，快速降低定子磁鏈的幅值，使其保持在允許范圍內，避免磁鏈飽和。需要注意的是，此處磁鏈幅值的作用是抑制定子磁鏈達到飽和程度，而非保持磁鏈幅值恒定不變。這樣的設計，既降低了系統對磁鏈幅值計算精度的要求，也保證了電機運行的穩定性。

4 模糊優化的設計

為了滿足對永磁同步電機的精準控制，系統通常采用閉環控制，在轉速控制環中，負荷的突然變化會致使電機出現擾動，如果只采用傳統PID控制，難以適應電機在運行過程的各個階段對系統參數的需求，而模糊控制對系統參數的依賴性弱，魯棒性強，可以在短暫時間內對系統參數的變化進行調整。因此，該文在轉速控制環處用模糊控制器來替代PID控制器，對系統參數進行優化，滿足動態響應。

模糊控制器由4部分組成。1） 模糊化。它的主要作用是將模糊控制器的輸入量轉化為可識別的模糊量。主要步驟如下：首先，將輸入量進行模糊化處理;其次，把輸入量轉化為與之對應的模糊集合;最后，確定各輸入量的值和其相關的隸屬度函數。2） 知識庫。知識庫包括規則庫和數據庫兩部分，它們是根據專家的經驗建立起來的，是模糊控制器的重要組成環節。3） 推理單元。主要用于推理判斷。4） 解模糊。把得到的模糊量轉變為控制量輸出。

在轉速控制器的設計中，首先，把轉速誤差和誤差變化率作為控制量輸入控制器中進行模糊化處理，然后，按照模糊規則語言進行推理和判斷，將得到的模糊值進行解模糊，最后，通過輸出的控制量控制電機運行。

5 結語

永磁同步電機直接轉矩控制技術，在航空航天、電動汽車等領域都得到了有效應用，不過，國內的應用較國外許多發達國家的應用領域狹隘，使用也比較簡單。該文提出的永磁同步電機無磁鏈閉環直接轉矩模糊控制的設計方法，這種方法不是通過間接控制電機的電流和磁鏈來控制電磁轉矩，而是在去除磁鏈閉環的基礎上將電磁轉矩作為被控對象直接進行控制，因此，轉矩動態響應迅速，控制效果良好，希望能為未來永磁同步電機直接轉矩控制技術的研究提供一定的參考依據。

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