永磁同步電機直接轉矩控制模型與零序電流調節

王 雪 朱 穎 許幫漢

（1、三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌443002 2、三峽大學計算機與信息學院，湖北 宜昌443002）

1 概述

隨著交流調速技術的迅速發展，開關磁阻電機（SRMS）自20世紀80 年代以來得到了迅速發展[1]。SRM具有結構簡單、堅固耐用、成本低、可靠性高、啟動能力強、調速性能好等特點[2]。該機器可以保持高性能，即使在惡劣的環境，它提供了更經濟的電機驅動選擇在這些應用。

為了減少傳統DTC 的弱點, 目前無位置傳感器感應電動機直接轉矩和磁通控制驅動器基于空間矢量調制, 以減少當前的目的,通量,扭矩,和速度波動,減輕聲學噪聲[3]。本文擴展了之前的結果，并提出了一種新的直接轉矩模型預測控制（DTMPC）技術，具有損耗最小化和諧波降低能力。

2 驅動系統拓撲結構和數學模型

開路繞組直流偏置- vrm 的電機拓撲和繞組配置將y 形連接的定子繞組端斷開，升起三個新端子，并將另一端的三個端子連接到兩組共用直流母線的三相逆變器上。每個繞組兩端可達，提供直流流路。

而表示兩電平五相永磁同步電動機逆變器的開關矢量為：

如果i∈{u, v, w, x, y}，則Si= 1，則下電源開關為OFF，上電源開關為ON。反之，則Si= 0，則下電源開關開，上電源開關關。

每個空間向量由二進制轉換序列唯一標識 Suvwxy，（10N±1） 將0、1、2 被映射到3 次平面上，而10N±3 階諧波被映射到3 次平面上。

在固定abc 坐標系下的電壓方程表示為：

在固定abc 坐標系下的電壓方程表示為：

忽略高階電感諧波，磁鏈可以用相電感和相電流的形式表示：

3 零序電流調節的直接轉矩控制算法

在直流偏置-vrm 驅動系統中，根據MTPA 概念，參考交流電流設置為2 倍的直流電流，以最小電流實現最大轉矩，即i*dr= 0, i*qr=√2i*0 在三維dq0 坐標VC 系統中。當前的參考文獻i*dr, i*qr, i*0 根據參考力矩進行調整。而對于DTC 策略，MTPA 軌跡由參考定子磁通輸出輸出，*和參考0 軸電流i*0 相對于參考轉矩T，*e。*和i*0 相對于T，*e 在MTPA 條件下。當機器在恒轉矩區域內運行時，將idr= 0，|iqr| =√2i0 代入（8），i*0與T*ecan 之間的關系表示為

對于具有公共直流母線的開繞組變換器，其驅動結構提供了零序電流流路。零序電流的直流偏置分量構成虛擬轉子磁通，而零序電流的諧波分量增加系統損耗，產生轉矩脈動，影響機器性能。兩個逆變器之間具有120 度相位差的電壓矢量使得最大六邊形到中六邊形的范圍減小。圓的最大電壓矢量表示為：Udcrepresents為直流母線電壓

與傳統交流電機不同的是，在開繞組中，udu 和uqs 的綜合電壓矢量需要分布到兩個旋轉坐標變換模塊中，兩個SVM模塊為兩個單獨的逆變器生成兩組PWM信號。傳統的VC 系統需要三個旋轉的坐標轉換塊：一個用于abc-dq0 電流轉換，兩個用于dq- a 轉換的hdmp1 和dq- a 轉換的hdmp2。與VC 系統相比，采用該電壓分布方法的基于支持向量機的直接轉矩控制系統不需要電流旋轉變換。旋轉坐標變換塊從3 塊減少到1 塊，整體計算時間進一步縮短。

4 實驗結果

實驗驗證了所提出的直流偏置vrms 的直接轉矩控制策略。實驗設備包括一臺樣機12 定子10 轉子開式繞組dc-bias -vrm。基于TMS320F28335 開發了DSP 控制板，利用DSP 控制板產生的PWM信號控制開繞組逆變器。絕緣柵雙極翻譯器開關頻率和DSP 采樣頻率均為20khz。負載轉矩由負載電機施加。

下圖為基于svm 的直接轉矩控制策略、VC 策略和經典ST-DTC 策略的轉矩、磁鏈和相電流實驗比較。運行速度設定為額定1500 r/min，額定負載2.2 N·m。可以觀察到，相電流中含有直流偏置分量。ST-DTC 策略比VC 和提出的DTC 策略具有更大的電流紋波。

圖2 svm 直接轉矩控制

計算時間也會影響控制系統的性能，與VC 策略相比，該DTC 策略的旋轉坐標變換塊從3 塊減少到1 塊。為了驗證整體計算時間的減少列出了VC 策略和提出的DTC 策略的計算時間比較。與VC 方法相比，DTC 方法減少了1 個公園變換塊和1個逆公園變換塊。該方法將坐標變換所帶來的計算時間縮短了4.7 個轉角。所提出的DTC 策略中附加的轉矩和流量估計器計算時間為1.54°，而整個控制系統的計算時間為13.77°，與50支路的采樣周期相比，該DTC 策略的剩余時間為36.23 支路。與VC 策略相比，所提出的DTC 策略消耗的DSP 資源更少，并且有很大的潛力用于其他算法。操作速度設定在額定1500 r/min。負載機在1.5 秒的瞬間突然施加2.2 N·m 額定負載（1.0 p.u.），在最后2.5 秒釋放額定負載。電機從空載狀態運行到額定負載狀態，最后回到負載狀態。12、所產生的參考轉矩，與參考定子同步增加，以跟蹤變化的負載。在動態運行中，轉矩、定子磁通和0- 軸對稱的反饋值可以快速跟蹤，反饋值在1.4s 以內。由于裝載機的加載過程需要調整時間，所以轉速恢復相對較慢。

5 結論

針對具有零序電流調節能力的直流偏置vrms，提出了一種直接轉矩控制策略。為了調節直流偏置電流，提出的方法保留了每個開關周期的調整時間。然后，在不失一般性的前提下，采用五相永磁同步電動機作為車輛牽引電動機的代表。所提出的預測控制技術使系統級損耗最小化，同時保持電機的發展轉矩和定子凈磁通在預先設定的公差范圍內。在正常運行條件下，利用三階諧波分量可優化每安培轉矩的性能，將唯一的直流偏置電流與參考轉矩和參考磁通緊密分布，以實現MTPA 條件。

此外，在提出的直接轉矩控制策略的基礎上，還引入了一種參考電壓分布策略，以簡化控制算法。實驗結果驗證了該方法可以實現穩態和動態運行下的零序電流調節。定子磁通和零序電流根據參考轉矩進行調節。所提出的直接轉矩控制策略與VC 策略具有近似的效率，且比VC - dtc 策略的效率更高。此外，通過減少旋轉坐標變換，與VC 策略相比，計算時間也大大減少。保證了結構簡單、魯棒性好的優點。成功的實驗結果表明，DTMPC 方法可以作為高性能電氣化交通的一種有效解決方案。