永磁同步电机直接转矩控制(svpwm)

1、三相永磁同步电动机直接转矩控制技术及仿真研究1 引言随着社会实际生产要求的不断提高，现代电机控制技术也不断得以升级。继矢量控制之后， 1986 年日本 i.takhashi和德国 m.depenbrock 分别提出了直接转矩控制技术。直接转矩控制(direct torque control，dtc)是基于定子磁场定向和电压空间矢量分析的方法， 根据转矩偏差、 磁链偏差及定子磁链的空间位置，选择合适的电压矢量。 这项技术的问世， 以其新颖的控制思想、 简洁明了的系统结构、优良的动静态性能等优点受到普遍关注并被广泛研究。常规的dtc 方案其实是一种 bangbang 控制方法：针对定子磁链幅值和转

2、矩偏差以及磁链的空间位置， 在一个控制周期内，选择和发出单一空间电压矢量，这个电压矢量要同时控制磁链和转矩的误差方向， 而忽略了转矩和磁链误差大小， 从而经常造成转矩和磁链脉动， 不能达到期望的最佳控制效果。减小滞环容差可以减小脉动，但又会导致逆变器的开关频率增大，开关损耗随之增加； 矢量细分法改善了磁链轨迹，但结构相对复杂。矢量调制(space v oltage vector modulation)是在一个控制周期内，通过相邻电压矢量和零矢量合成得到所需的任意电压矢量，实现电压矢量的连续可调。本文在分析了直接转矩控制原理(dtc) 和空间电压矢量脉宽调制技术(svpwm) 的基础上，做了基于

3、磁链空间电压矢量脉宽调制技术的永磁同步电机直接转矩控制技术的仿真。1 直接转矩控制原理永磁同步电机在转子坐标系下的数学模型：fqdqdqdqdiiplrllplruu0(1) smqdssmqfqdsnelllllpt2sin)(sin243(2) tsmqdssmqfqdsnttddlllllpdde2cos)(2cos243（ 3）式中：qdqdqdlliiuu,定子电压、电流、电感在qd,轴上的分量；sf,励磁磁链和定子磁链；pptne，,电磁转矩、转子极对数和微分算子；sm负载角；式(2)表明，电机参数确定后，在实际运行中，永磁同步电机转子上励磁磁场的磁链幅值一般为恒值， 为保证充分利

4、用电动机铁心， 通常要使定子磁链的幅值为额定值，这样就可以直接通过控制负载角sm的大小来控制电磁转矩的大小，这就是 dtc 的核心思想。在电机运行过程中，如何保证定子磁链幅值始终为额定值，这也是 dtc 技术集中解决的问题。 常规的 dtc 就是采用两个滞环比较器得到磁链和转矩控制指令， 再结合磁链位置以及开关状态表查得所要求的逆变器开关指令， 进而得到所需要的空间电压矢量作用于磁链和转矩，对二者进行实时调节，保证其在所给定的范围内变化， 从而获得近似圆形磁链轨迹和精确的转矩。2 电压空间矢量脉宽调制针对永磁同步电机直接转矩、 控制系统转矩和定子磁链的脉动问题，设计了基于电压空间矢量脉宽调制（

5、svpwm）策略的永磁同步电机直接转矩控制。在每个控制周期内， 计算出参考磁链和所估计磁链的偏差，选择相邻非零矢量和零矢量，并精确地计算出各自作用时间， 然后利用线性组合法将其合成新的电压矢量。早期提出的svpwm 技术应用于异步电动机的直接转矩控制驱动系统中，其主要思想是把逆变器和电机视为一个整体，针对不同的电压空间矢量和相应不同的作用时间， 采用线性组合的方法将其合成所需要相位的磁链增量，进而可以很好地跟踪定子磁链，使其形成近似圆形的磁场。电压空间矢量合成原理如图1所示，21,uu为相邻电压矢量；21,tt为其作用时间；0t 为采样周期；su 为期望电压空间矢量。图 1 电压空间矢量的线性

6、组合由图 1 可以看出：sincos202101sssjuuuttuttu（4）用相电压表示合成电压空间矢量得到：2)()()(jcojboaosetuetutuu（5）式中，120 。由相电压与线电压关系：)()()(tututuabaoab)()()(tututucobobc代入式（ 5）并化简后，可得：jbcabsetutuu)()(（ 6）如图 2 所示，根据各功率开关处于不同状态线电压可分别取为du 、0或du ，当开关状态为 100(上桥臂器件导通用数字 “ 1” 表示，下桥臂器件导通用数字“ 0” 表示)时，输出线电压dabuu，0bcu，则合成电压duu1。当开关状态为110时

7、，0abu，dbcuu，则合成压32jdjdeueuu。图 2 三相逆变器原理图依次类推，同样可以求出63 uu的表达式。代入（ 5） ，得：)23)2()2321()3sin3(cos(020201020102013020130201ttjttttujttttujttttuettttueuttuttudddjdjdds）（7）比较式 (4)和式(7)，令实数项和虚数项分别相等，则：dsuttttu)2(cos0201dsuttu0223sin从而解出1t 和2t ，得各空间矢量所占时间的分别为：dsdsuuuuttsin31cos01dsuuttsin3202采样周期0t 应由旋转磁场所需的

8、频率决定，0t 与21tt未必相等，其间隙时间可用零矢量7t 或8t 填补。为减少功率开关器件的开关次数，一般使7t 和8t 各占一半时间，即：0)(2121087ttttt3 基于 svpwm 的永磁同步电机直接转矩控制系统在定子坐标系下，永磁同步电机的定子电压矢量为：sirdtdv：其离散化形式为：11kskkskirttv整理后得：sskkkstirtv11式中：st 采样周期；kk时刻期望参考磁链矢量；1k前一时刻磁链矢量估计值；stv电压矢量在一个周期的积分值；r 定子电阻；磁链矢量的偏差和电压矢量关系如图3 所示。图 3 磁链矢量的偏差和电压矢量关系图常规的 dtc 通过转矩反馈和

9、磁链幅值反馈间接控制磁链的旋转运动，通过分析式（2） 、 （3）可知：若能控制定予磁链的旋转角速度flux和定子磁链与转子磁链的相对速度dtd，可以直接控制转矩和转矩的变化率。参考磁链svm-dtc策略的基本思想是在静止坐标系构建参考磁链模型，根据参考磁链和计算磁链的偏差计算电压矢量偏差，借助svm 技术发出精确的 pwm 波，实现磁链反馈控制和连续调节。图 4 参考磁链矢量的结构框图参考磁链矢量的模型如图5 所示。参考磁链模型的输入为磁链幅值给定和相角k以及定子磁链的角速度，stflux得到磁链角度变化量k，kk 1即为k时刻磁链角度的参考值k， 参考磁链模型的输出为k时刻期望的参考磁链矢量

10、，图中flux为定子磁链的参考旋转速度；为给定磁链幅值；k为第k时刻磁链矢量相角。设计基于 svpwm 策略永磁同步电机直接转矩控制系统结构，如图5 所示。系统采用了一个 pi调节器和参考磁链矢量估计器(rfvc)来确定参考定子磁链矢量。 根据参考定子磁链的角频率和所估计的定子磁链位置以及参考磁链幅值产生下一个时刻的参考磁链矢量， 计算磁链的反馈值和电阻压降补偿，得到磁链偏差值，再由 svpwm 选择所应施加的电压矢量，计算作用时间来控制逆变器开关状态。图 5 基于 svpwm 的直接转矩控制框图4 基于 svpwm 的永磁同步电机直接转矩控制仿真结果应用 matlab/simulink 对常

11、规直接转矩和基于参考磁链电压空间矢量调制策略永磁电机直接转矩控制系统进行了突加速度给定和低速仿真研究，电机参数如下： 额定功率为kw75.0； 额定转速为min2000r； 极对数为 4； 定子电阻为8.5；dl 为he38 .44；ql 为he37.102；转动惯量为20008. 0mkg；转子磁链为1wb；采样周期st 取s40。基于 svpwm 的永磁同步电机直接转矩控制仿真结果如图6、7 所示。图 6 基于 svpwm 的永磁同步电机直接转矩控制仿真结果图（一）磁链波形图 7 基于 svpwm 的永磁同步电机直接转矩控制仿真结果图（二）转矩转速波形5 结论(1)设计基于参考磁链电压空间矢量调制策略的永磁同步电动机直接转矩控制系统，建立了基于参考磁链电压空间矢量调制策略的永磁同步电动机直接转矩控制系统的仿真模型，进行了突加转速给定和低速运行仿真。(2)仿真表明，电机磁链的幅值已经接近一个圆；在带负载启动的情况下，电机的转速能很快达到指定转速，在指令转速为零的时候电机也能很快停车。而且实际电机转矩能