基于DSP對永磁同步電機直接轉矩控制技術的研究

摘 要：直接轉矩控制是眾多電機控制方法中應用最為廣泛的一種，但實際工程應用中存在觀測誤差較大、轉矩脈動較大等問題。因此，如何實現永磁同步電機的直接轉矩控制是一件具有非常重要意義的工作。DSP技術是一種重要的控制策略，其廣泛應用于控制領域的方方面面，文章就基于DSP對永磁同步電機直接轉矩控制技術進行了研究。

關鍵詞：DSP；永磁同步電機；直接轉矩控制

1 引言

電機是一種電磁裝置，它通過磁場的相互作用，實現了電能和機械能的相互轉換。電機的控制策略有很多，而直接轉矩控制是其中應有最為廣泛的一種[1]。直接轉矩控制具有結構簡單，響應速度快等優勢，且實現簡單，成本低廉。但在實際應用過程中，存在很多缺點，如：觀測誤差較大、轉矩脈動較大等問題。因此，如何實現永磁同步電機的直接轉矩控制是一件具有非常重要意義的工作。而DSP技術是一種重要的控制策略，其廣泛應用于控制領域的方方面面，本文就基于DSP對永磁同步電機直接轉矩控制技術進行了研究。

2 永磁同步電機（PMSM）控制策略介紹

近十年以來，隨著科技的快速發展，永磁同步電機調速系統已經成為交流電機控制的熱點問題。它與傳統的電機相比，具有非常獨特的優勢。例如：結構簡單、運行穩定性強、能耗低、效率高。另外，隨著，近年來永磁材料的成本越來越低、材料性能和工藝性能也不斷的完善。使其在國防、工業及農業領域之中應用越來越廣泛[2]。

在控制策略方面，矢量控制以高精度和高動態響應性能，成為永磁同步電機控制的主流，而由于高精密數控機床領域對高精密伺服控制的要求逐步強烈，永磁同步控制技術逐漸浮出水面。數字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科[3]。而基于DSP的轉矩控制以其獨特和良好的控制效果，成為了最新的控制熱點問題。

3 永磁同步電機直接轉矩控制控制系統設計

3.1 直接轉矩控制控制原理圖

永磁同步電機的控制原理圖如圖1所示，通過對系統中逆變器輸出的逆變器電壓和三相相電流檢測，對定子磁鏈及電機的電磁轉矩利用相關數學模型進行計算，并將計算結果作為輸出結果輸出。然后依據實際轉速與設定轉速的偏差值，通過反饋及信號放大，通過相關的邏輯選擇表，確定出合適的控制開關量，最終完成電機的整體控制[4]。

3.2 空間電壓矢量

在逆變器供電的情況下，整個控制系統中，逆變器開關器件和電機繞組連接。一般來說，系統之中的電壓型逆變器選擇為180°的導通型[5]。采用這樣的設計，可利用三個開關信號實現六個器件的通斷，分別為：開關信號Sa、Sb、Sc控制。當信號為“1”時，表示相上的橋臂導通；而當信號為“0”時，表示下橋臂元件的導通。這樣在系統中就利用六個有效電壓矢量及兩個零電壓矢量實現各個元器件的空間矢量控制。

3.3 轉矩控制

在永磁同步電機控制過程中，當定子磁鏈為固定值時，隨著轉子磁鏈夾角和定子的改變電機的電磁轉矩也會產生變化。因此，在整個控制系統中，必須盡快改變轉子磁鏈和定子夾角實現電機轉矩的快速響應。而在直接轉矩控制過程中，永磁同步電機與異步電機的電壓在矢量選擇的情況下，往往是不同的[6]。在永磁同步電機的控制過程中，空間矢量往往選用零電壓。雖然定子磁鏈可保持不變的位置，然而轉子磁極永磁磁場和定子磁鏈一直是處于相互作用的狀態，這樣電機轉矩往往是沒有發生顯著的變化。而在零電壓矢量中的應用效果，往往因其有效性不同，使其在永磁同步電機直接轉矩控制中受到了一定的限制。若想在電機控制過程中減小轉矩必須大量使用反向電壓矢量，這也是電機轉矩控制的重點和難點。在本文的控制系統之中，當電機電磁轉矩小于設定值時，可以使磁鏈沿原來方向旋轉的電壓矢量，這樣電機電磁時間遠遠小于電機的時間常數。在本文的系統中是采用定子磁鏈不間斷地持續進退，以達到良好快速轉速動態控制。

3.4 磁鏈控制

在永磁同步電機的定子上逆變器的輸出電壓將會直接進行加載，通過相關的計算，可以得到定子磁鏈空間矢量頂點在每個時間節點上的軌跡和運動方向，而對于電壓空間矢量的作用方向而言，電機矢量的運動軌跡與相關軌跡的指示方向是平行的。而平行度越高必須要保證定子電阻的電壓降足夠的小。在電壓矢量空間選擇過程之中，整個空間矢量分為六個區域，每一個區域分別對應不同的電壓空間矢量，在整個電機控制過程之中，通過選擇相關的空間矢量以實現電機的控制。

3.5 開關表

在永磁同步電機直接轉矩控制系統中，可通過轉矩、實際磁鏈和相對應的給定值之間的差值，通過系統之中的0，1信號控制來實現轉矩值的增大或減小。為獲得更優化的控制性能，必須對磁鏈幅值及當前轉矩的控制要求進行綜合考慮。而在整個控制系統中，零矢量是用來維持當前轉矩不變的關鍵，依據運動矢量與零矢量的差值，可依據電機開關表中的各種轉矩狀態，將其分為三類，分別為：減小、保持以及增加。通過選擇相應的開關表之中的控制矢量，經過相關的計算以實現永磁同步電機的各種直接轉矩控制。

參考文獻

[1]李永東.交流電機直接轉矩控制策略綜述.變頻器世界.2011.4：5-9.

[2]王煥鋼、徐文立等.一種新型的感應電機直接轉矩控制.中國電機工程學報.2011，24（1）：107-111.

[3]王兆安，楊君.變頻調速技術及應用.中國能源.2008，（7）.

[4]馬寶慶.電動機控制技術.武漢：華中理工大學出版社，2010.8.

[5]劉風君.正弦波逆變器.北京：科學出版社.2011.2.

[6]李夙.異步電動機直接轉矩控制.北京：機械工業出版社，2009.8，1-132

[7]張崇巍，張興等.PWM整流器及其控制.北京：機械工業出版杜，2011.

[8]高景德，王祥珩，李發海.交流電機及其系統的分析（第二版）.北京：清華大學出版社.2011.369-383.