0 引言

    永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制方法控制結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快速并且對電機參數(shù)依賴小，因此受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。永磁同步電機傳統(tǒng)DTC方法中，采用6扇區(qū)劃分的方法，使用6個基本的電壓矢量控制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，轉(zhuǎn)矩脈動很大，并且逆變器的開關(guān)頻率也不恒定，使其性能惡化^[1-2]。因此一些新的思想便不斷產(chǎn)生。文獻[3]通過十二扇區(qū)劃分減小了矢量作用的不對稱，改善了DTC的性能。文獻[4]用磁鏈限幅取代了磁鏈滯環(huán)，通過選取快速改變定子磁鏈交軸分量的電壓矢量來控制轉(zhuǎn)矩。文獻[5，6]通過轉(zhuǎn)矩給定與實際值之差計算得出矢量作用有效時間，控制周期內(nèi)其他時間由零矢量作用來減少轉(zhuǎn)矩脈動。文獻[7]將扇區(qū)細分與占空比調(diào)節(jié)相結(jié)合改善了磁鏈軌跡和轉(zhuǎn)矩脈動。文獻[8-13]在DTC中采用空間電壓矢量調(diào)制（SVPWM）的方法直接產(chǎn)生最合適的電壓矢量，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動。

    本文是在前人研究的基礎(chǔ)上，意圖保持快速響應(yīng)、魯棒性好和無需定子磁鏈準(zhǔn)確位置的優(yōu)點的前提下，盡可能最大限度地改善轉(zhuǎn)矩脈動大的問題。因此本文研究了一種在30°區(qū)間劃分中，以轉(zhuǎn)矩優(yōu)先控制，定子磁鏈賦值控制為輔助，直接選定參考電壓矢量所在扇區(qū)，并由轉(zhuǎn)矩參考值與實際值之差實時地決定所在扇區(qū)兩相鄰矢量在SVPWM方法中各自的作用時間的直接轉(zhuǎn)矩控制方法。方法具有快速響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩脈動小、功率器件開關(guān)頻率相對固定并且不依賴于電機參數(shù)的特點。

1 永磁同步電機SVM-DTC

1.1 永磁同步電機轉(zhuǎn)矩

    在永磁同步電機的控制方法中存在幾種坐標(biāo)系，通過不同坐標(biāo)系之間的關(guān)系可以很清晰地理解轉(zhuǎn)矩的公式。不同坐標(biāo)系之間的關(guān)系如圖1所示。

    表貼式永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩公式為：

    在轉(zhuǎn)矩公式中，只有定子磁鏈幅值與轉(zhuǎn)矩角為變化量，通過固定定子磁鏈幅值，直接改變轉(zhuǎn)矩角來快速改變電機的轉(zhuǎn)矩。

1.2 電壓矢量

    永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中多采用三相兩電平的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，abc三個橋壁的開關(guān)組合構(gòu)成了基礎(chǔ)的8個電壓矢量。除了兩個零矢量U0和U7外，剩余6個電壓矢量(U1～U6)幅值相等，方向依次相隔60°，如圖2所示。

    根據(jù)定子磁鏈所在扇區(qū)和轉(zhuǎn)矩磁鏈變化情況從基本電壓矢量中挑選一個最合適的電壓矢量實施，來有目的的改變轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值。

1.3 電壓矢量對轉(zhuǎn)矩的影響

    永磁同步電機的電壓方程為：

    由式(3)可知，電壓矢量以及采樣周期決定了定子磁鏈的變化。再結(jié)合轉(zhuǎn)矩式(1)可知，合適的電壓矢量能夠有效控制轉(zhuǎn)矩的變化。

    由于基礎(chǔ)電壓矢量只有8個，因此就會穩(wěn)態(tài)下產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動。要想改善轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，就要優(yōu)化電壓矢量，使得任何時刻都可以根據(jù)需求獲得最優(yōu)的電壓矢量。

1.4 SVM-DTC方法

    要優(yōu)化電壓矢量，獲取任意的電壓矢量，就要依靠空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)?；倦妷菏噶繑?shù)量雖然有限，但是結(jié)合SVPWM算法就可以通過相鄰兩個電壓矢量組合，合成任意需要的電壓矢量。SVM-DTC就是通過這種方法生成最適合的參考電壓矢量來較好的維持定子磁鏈賦值和改變轉(zhuǎn)矩。SVM-DTC方法的核心就是準(zhǔn)確的獲得參考電壓矢量。

2 轉(zhuǎn)矩優(yōu)先控制的SVM-DTC方法

    傳統(tǒng)SVM-DTC力圖得到最優(yōu)的電壓矢量，而計算電壓矢量是比較復(fù)雜的，雖然已經(jīng)有很多種較好的獲取參考電壓矢量的方法，但是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和對電機準(zhǔn)確參數(shù)的依賴始終違背了直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快速和魯棒性強的特點。

    根據(jù)以上分析，通過扇區(qū)細分，以轉(zhuǎn)矩優(yōu)先控制和盡量維持定子磁鏈幅值恒定為準(zhǔn)則選擇合適的電壓矢量，并結(jié)合SVPWM來實施，能夠有效解決上述問題。

2.1 十二扇區(qū)劃分

    本文提出的方法是以轉(zhuǎn)矩的快速跟蹤為前提的，因此，根據(jù)式(1)和式(3)可知，當(dāng)固定定子磁鏈賦值后，超前或滯后于定子磁鏈角度90°電角度的電壓矢量是可以最快速度改變轉(zhuǎn)矩的電壓矢量?；诓灰蕾嚋?zhǔn)確位置信息和電機參數(shù)的前提，所提出方法中在90°范圍內(nèi)，允許一定的容差，同時，利用電壓矢量角度偏差來補償設(shè)定定子磁鏈幅值與實際定子磁鏈幅值的差值。

    本文偏差角設(shè)定為30°。因此參考電壓矢量的位置就在定子磁鏈的90°±30°和-90°±30°電角度范圍內(nèi)，這樣配合30°的扇區(qū)劃分，就使得電壓矢量的選取變得一目了然。如圖3所示，采用30°扇區(qū)的劃分，扇區(qū)標(biāo)號為S0到S11。U0到U11為本文方法中的基礎(chǔ)電壓矢量。

2.2 參考電壓矢量的選取

2.2.1 參考電壓矢量的方向選擇

    只要確定了定子磁鏈?zhǔn)噶康纳葏^(qū)，參考電壓矢量就在此扇區(qū)前后的第3個扇區(qū)內(nèi)。假定定子磁鏈在S0扇區(qū)，則參考電壓矢量則在S3或S9扇區(qū)。因為偏差值允許在30°內(nèi)，因此這兩個扇區(qū)的邊界處的U3、U4和U9、U10這些基礎(chǔ)電壓矢量顯然都在偏差角度范圍內(nèi)并且易于合成。因此通過轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值的四種變化情況來從這四個矢量中選擇最合適的一個作為參考電壓矢量的方向。

2.2.2 參考電壓矢量的幅值確定

    現(xiàn)在已經(jīng)確定了參考電壓矢量的方向，接下來確定其幅值的大小。由于大的矢量幅值會導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動大。因此通過式(4)來限制參考電壓矢量的幅值。

    式(4)中M為可調(diào)參數(shù)。當(dāng)前周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩的改變量很大時，通過增大參考電壓矢量幅值以快速跟隨轉(zhuǎn)矩變化，而當(dāng)轉(zhuǎn)矩達到給定值開始趨于穩(wěn)定時，通過減小參考電壓矢量的幅值以盡量減小轉(zhuǎn)矩的波動。

2.3 SVPWM的改進

    在永磁同步電機的控制系統(tǒng)中，常規(guī)的SVPWM是一個模塊，輸入?yún)⒖茧妷菏噶吭讦?β坐標(biāo)系中的分量，通過一系列算法，最后輸出功率器件的開關(guān)控制信號。

    在文中的方法中，由于在參考電壓矢量為十二扇區(qū)中的12個基礎(chǔ)電壓矢量U0到U11之一的一定比例，而基礎(chǔ)電壓矢量中每個矢量對應(yīng)的SVPWM中的扇區(qū)和時間都是確定的。因此，根據(jù)矢量標(biāo)號進行查表就可以獲得該基礎(chǔ)電壓矢量在SVPWM中所在的扇區(qū)N以及合成所需時間T_1max和T_2max。再根據(jù)參考電壓矢量的幅值，對時間T_1max和T_2max進行一定的處理，就能得到參考電壓矢量在SVPWM中合成所需的T1和T2。

    根據(jù)扇區(qū)N，以及時間T1和T2，通過改進后的SVPWM生成開關(guān)控制信號。結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    永磁同步電機精簡SVM-DTC系統(tǒng)如圖5所示。

3 仿真研究

    在MATLAB/Simulink環(huán)境下對本系統(tǒng)進行建模仿真研究。永磁同步電機的永磁磁鏈為0.175 Wb，定子電感8.5 mH，定子電阻2.88 Ω，極對數(shù)為2，轉(zhuǎn)動慣量0.000 8 kg·m²。定子磁鏈幅值給定設(shè)置為0.175 Wb。

3.1 定子磁鏈分析

    本文方法是以轉(zhuǎn)矩優(yōu)先控制為核心思想，只是在對轉(zhuǎn)矩控制之余兼顧了定子磁鏈的變化方向，讓其在參考定子磁鏈幅值的附近波動。從仿真結(jié)果上看，其波動范圍比較小。圖6為定子磁鏈幅值波形。

3.2 轉(zhuǎn)速突變分析

    設(shè)定0.05 s時刻，轉(zhuǎn)速由1 500 r/min突變到1 000 r/min，觀察轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的變化。

    通過圖7可以得知，系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速的跟蹤速度很快，大約0.01 s。這樣效果得益于以轉(zhuǎn)矩控制為核心的控制策略。圖8為轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)圖，可以看出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度非?？?，并且穩(wěn)定后脈動極小。

3.3 轉(zhuǎn)矩突變分析

    設(shè)定在0.05 s時突加5 N·m負載。觀察負載發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的變化，根據(jù)仿真結(jié)果，其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線如圖9所示。

    轉(zhuǎn)矩能快速跟蹤轉(zhuǎn)矩。達到穩(wěn)定狀態(tài)后，在空載時，轉(zhuǎn)矩脈動大約在0.03 N·m。在加入負載后大約在0.07 N·m。性能良好。

3.4 系統(tǒng)性能分析

    通過以上仿真結(jié)果，可以看出，無論是響應(yīng)速度還是脈動的大小，本系統(tǒng)都得到了很好的表現(xiàn)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)很簡單，只在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中用到了PI調(diào)節(jié)器，通過簡化SVPWM，簡化了結(jié)構(gòu)。并且系統(tǒng)中涉及到的電機參數(shù)極少，大大增強了系統(tǒng)的魯棒性。與傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制相比，本文所述的方法具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動和固定的功率器件開關(guān)頻率。與傳統(tǒng)SVM-DTC方法相比，本文所述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)快速和魯棒性強。

4 結(jié)語

    本文研究了一種以轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)先的SVM-DTC方法。從參考電壓矢量的獲取和實施上簡化了結(jié)構(gòu)，在改善了性能的同時，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單。仿真的結(jié)果表明此系統(tǒng)具有優(yōu)異的性能。

參考文獻

[1] 楊建飛.永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[2] 李耀華，劉衛(wèi)國.永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制不合理轉(zhuǎn)矩脈動[J].電機與控制學(xué)報，2007，11(2)：148-152.

[3] 廖曉鐘，邵立偉.直接轉(zhuǎn)矩控制的十二區(qū)段控制方法[J].中國電機工程學(xué)報，2006，26(6)：167-173.

[4] 楊建飛，胡育文.永磁同步電機最優(yōu)直接轉(zhuǎn)矩控制[J].中國電機工程學(xué)報，2011，31(27)：109-115.

[5] AMBROZIC V，BUJA G S，MENIS R.Band-constrained technique for direct torque control of induction motor.IEEE transactions on industrial electronics，2004，51(4)：776-784.

[6] 楊影，陳鑫，涂小衛(wèi)，等.占空比調(diào)制的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電機與控制學(xué)報，2014，18(4)：66-71.

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

[8] 劉軍，楚小剛，白華煜.基于參考磁鏈電壓空間矢量調(diào)制策略的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2005，20(6)：11-15.

[9] 孫丹，賀益康.基于恒定開關(guān)頻率空間矢量調(diào)制的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25(12)：112-116.

[10] 王斌，王躍，王兆安.空間矢量調(diào)制的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電機與控制學(xué)報，2010，14(6)：45-50.

[11] 廖永衡，馮曉云，王珍.無差拍空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制簡化設(shè)計[J].電工技術(shù)學(xué)報，2011，26(6)：95-101.

[12] TANG L，ZHONG L，RAHMAN M F，et al.A novel direct torque controlled interior permanent magnet synchronous machine drive with low ripple in flux and torque and fixed switching frequency[J].IEEE transactions on power electronics，2004，19(2)：346-354.

[13] 申娟，周實.永磁同步電機-虛擬電流環(huán)控制技術(shù)的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(1)：156-160.

作者信息:

龔嬡雯，趙龍章，吳  揚，墨  蒙

（南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京211816）