基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制 - 王丽梅 - 图文-

1、收稿日期:2006-09-11.基金项目:辽宁省科学技术基金资助项目(20052043.作者简介:王丽梅(1969-,女,辽宁建平人,教授,博士生导师,主要从事交流伺服系统、智能控制等方面的研究.文章编号:1000-1646(200706-0613-05基于SVPWM 的永磁同步电机直接转矩控制王丽梅,高艳平(沈阳工业大学电气工程学院,沈阳110023摘要: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(SVP WM 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

2、间,然后利用线性组合法将其合成为新的电压矢量.在M AT LA B /SI M U LIN K 仿真环境下,对该控制系统进行了建模与仿真.仿真结果表明,该方法可以明显减小转矩和磁链脉动,具有更好的动、静态性能,而且响应速度快,运行平稳.关键词:永磁同步电机;直接转矩控制;电压空间矢量脉宽调制;线性组合;参考磁链中图分类号:T M 351文献标识码:ADirect torque control for permanent magnet synchronous motorbased on space voltage vector pulse width modulationWANG Li -mei

3、 ,GAO Yan -ping(School of Electrical Engineering ,Sheny ang University of T echnology ,Shenyang 110023,China A bstract :To solve the problem of torque and stator flux linkage ripples in direct torque control (DTC fora permanent magnet synchronous mo tor (PMSM ,the space voltage vector pulse width mo

4、dulation (SVPWM strategy in DTC for PMSM was designed .The offset betw een the reference stator flux linkage and the estimated one is calculated during each sampling period ,and the tw o nonzero neighboring voltage vectors are selected and then the operating time is calculated accurately .Finally th

5、e linear combination method is utilized to synthesize a new voltage vector .The modeling and simulation of this system w ere introduced based on MATLAB /SIM ULINK .Simulation results show that the present method can dramatically reduce the torque and the stator flux linkage ripples .The system has b

6、etter dy namic and steady state performances ,fast response and stable operation .Key words :permanent mag net synchronous motor ;direct to rque control ;space vector pulse widthmodulation ;linear combination ;reference flux linkage 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 .De

7、penbrock 分别提出了直接转矩控制技术1-2.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.直接转矩控制技术在永磁同步电机上的研究还并非十分完善,在有些方面仍存在欠缺3.比如说由定子磁链脉动而导致的电磁转矩脉动就是一个非常棘手的问题.常规的DTC 方案其实是一种Bang -Bang 控制方法:针对定子磁链幅值和转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.第29卷第6期2007

8、年12月沈阳工业大学学报Journal of Shenyang University of TechnologyVol .29No .6Dec .2007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,提出了基于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.本方案中,仅仅采用一个调节器来控制磁链和转矩,这一点与常规的DTC有显著的差别.最后,通过MATLAB/SIMULINK建模和仿真,与常规的DTC比较,可以看出磁链和转矩脉动明显降低,同时保证了固定的开关频率.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4 u du q=R+p L

9、 d-wL qwL d R+p L qi di q+wf(1t e=3P ns4L d L q2f L q sinsm+s(L d-L qsin2sm(2式中:u d,u q,i d,i q,L d,L q定子电压、电流、电感在d,q轴上的分量;f,s励磁磁链和定子磁链;t e,P n,p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

10、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5.2电压空间矢量脉宽调制早期提出的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6.电压空间矢量合成原理如图1

11、所示,u1,u2为相邻电压矢量;t1,t2为其作用时间;T0为采样周期;u s为期望电压空间矢量.图1电压空间矢量的线性组合Fig.1Linear combination of voltage space vecto rs可以看出u s=t1T0u1+t2T0u2=u s cos+j u s sin(3用相电压表示合成电压空间矢量得到u s=u AO(t+u BO(te j+u CO(te j2(4式中,=120°.由相电压与线电压关系u AB(t=u AO(t-u BO(t(5u BC(t=u BO(t-u CO(t(6代入式(4并化简后,可得u s=u AB(t-u BC(te-

12、j(7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U d、0或-U d,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u AB=U d,u BC=0,则合成电压u1=U d.当开关状态为110时,u AB=0,u B C=U d,则合成电压u2=-U d e-j=U d e-j/3.图2三相逆变器原理图Fig.2Block diagram of three phase inver ter依次类推,同样可以求出u3u6的表达式.代入式(3,得u s=t1T0U d+t2T0U d e j/3=U dt1T0+t2T0e j/3=U dt

13、1T0+t2T0cos3+jsin3= 614沈阳工业大学学报第29卷U d t1T0+t2T012+j32=U d t1T0+t22T0+j3t22T0(8比较式(3和式(8,令实数项和虚数项分别相等,则u s cos=t1T0+t22T0U d(9u s sin=3t22T0U d(10从而解出t1和t2,得部分空间矢量所占时间的成分为t1 T0=u s cosU d-13u s sinU d(11 t2T0=23u s sinU d(12采样周期T0应由旋转磁场所需的频率决定,T0与t1+t2未必相等,其间隙时间可用零矢量u7或u8填补.为减少功率开关器件的开关次数,一般使u7和u8各占

14、一半时间,即t7=t8=12(T0-t1-t20(13 3SVPWM DTC PMSM控制系统设计设计基于SVPWM策略永磁同步电机直接转矩控制系统结构,如图3所示.与常规的DTC 系统相比,没有采用电压开关矢量表和滞环控制器,而是采用了一个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7-8.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,这样,就可以把误差降低到零.图3基于SV PWM的直接转矩控制框图Fig.3

15、Block diagram of DT C control sy stem based on SV PWM 在定子坐标系下,永磁同步电机的定子电压矢量为9u s=dsd t+R s i s(14其离散化形式为u s k=s kT0=s k-s k-1T0+R s i s k-1(15整理后得u s k T0=s k-s k-1+T0i s k-1R s(16式中:T0采样周期;s kk时刻期望参考磁链矢量;s k-1前一时刻磁链矢量估计值;u s k T0电压矢量在一个周期的积分值;R s定子电阻.电压空间矢量的选择如图4所示.可以看出三相逆变器的最大范围是六边形,而为了产生正弦波输出电压,就

16、必须采用一个环形的电压限615第6期王丽梅,等:基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制制7.如果磁链误差幅值超出该环的界限,如图s1,那么SVPWM 将根据这个误差来发出一个与该误差矢量同向的电压矢量来减少磁链幅值 .图4根据磁链误差选择电压矢量Fig .4Voltage v ector selection based on flux linkage error4仿真为了验证本文所提出来的基于SVPWM 的永磁同步电动机直接转矩控制策略的有效性,应用M atlab /Simulink ,在采样周期T 0取80s ,160s 仿真环境下,对常规的DTC 和基于SVPWM 的DTC 控制算法进行

17、了稳态性能和动态响应仿真研究.选择的电机参数分别为:额定转速1600r /min ;额定功率0.8kW ;极对数4;定子电阻0.64;d ,q 轴电感分别为0.0446H ,0.1062H ;转动惯量0.0012kg ·m 2;转子磁链0.44Wb ;负载转矩5Nm .图5为两种算法转矩稳态性能仿真图形,图6为两种算法磁链稳态性能仿真图形,图 7图5转矩的稳态性能仿真波形Fig .5Steady -state performance w aveforms of tor quea .常规D TCb .SVPW M -DT C为两种算法转矩动态响应比较仿真图形.从图56中可以看出,采用基

18、于SVPWM -DTC 策略的永磁同步电机转矩和磁链的脉动明显有所减小,近似于平滑波形.在图7所示的动态响应比较中,自0.042s 后第一次到达参考值时常规DTC 策略的响应时间要明显少于基于SVPWM -DTC 策略的响应时间,而且后者在经过较短时间的脉动后就恢复到参考值,而前者则在参考值附近脉动很大 .图6磁链的稳态性能仿真波形F ig .6Steady -state performance w aveforms o f flux linkagea .常规D TCb .SVPW M -DT C图7转矩动态响应比较Fig .7To rque dy namic response compari

19、sona .常规D TCb .SVPW M -DT C616沈阳工业大学学报第29卷5结论本文在分析常规的直接转矩控制原理以及空间矢量调制方法的基础之上,设计了基于电压空间矢量脉宽调制策略的永磁同步电机直接转矩控制系统.该系统能够较好地跟踪磁链和转矩误差值来选择合适的空间电压矢量以消除误差,从而达到理想的控制效果,弥补了常规直接转矩控制的不足.仿真结果表明,与常规DTC策略相比,在相同的运行条件下,基于SVPWM-DTC策略的永磁同步电机控制系统的转矩和磁链脉动较小,其稳态性能较好,而且在较短的时间内,系统就可以恢复到参考值,即响应速度快,运行更加平稳.参考文献:1李夙.异步电机直接转矩控制M

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