基于空間電壓矢量的永磁同步電機恒轉矩控制方法研究

吉銘成

（江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮江,212003）

基于空間電壓矢量的永磁同步電機恒轉矩控制方法研究

吉銘成

（江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮江,212003）

針對矢量控制和直接轉矩控制兩種控制策略，本文研究了永磁同步電機空間電壓矢量調制直接轉矩控制方法，并采用空間電壓矢量調制直接轉矩控制策略對永磁同步電機進行了恒轉矩控制的模擬仿真，提高了控制系統的穩定性。

永磁同步電機;直接轉矩控制;空間電壓矢量調制;恒轉矩控制

1 永磁同步電機傳統直接轉矩控制（DTC）

直接轉矩控制不同于矢量控制中電流解耦的思想，通過檢測母線電壓和定子電流，直接計算磁鏈和轉矩，并利用兩個滯環比較器，直接實現對定子磁鏈和轉矩的解耦。但DTC控制只能在一個扇區內選擇和發出一個空間電壓矢量，另外永磁同步電機是一個多變量、強耦合的非線性系統，精確線性化、滑模變結構等方法無法通過傳統直接轉矩控制來實現。

2 永磁同步電機空間電壓矢量調制直接轉矩控制（SVM-DTC）

空間電壓矢量調制技術最早于1992年應用于異步電動機直接轉矩控制系統，是在一個控制周期中選擇相鄰非零矢量和零矢量，計算每個矢量的作用時間，從而合成所需的任意電壓矢量，實現對轉矩和磁鏈的無差控制，能克服傳統的直接轉矩控制的缺點，實現非線性解耦控制。

2.1 空間電壓矢量合成

空間電壓矢量合成利用六個空間電壓矢量把空間等分成6個扇區。Uout為目標空間電壓矢量，當目標空間電壓矢量轉到某個扇區時，便由形成這個扇區的兩個非零空間電壓矢量和零矢量線性組合而成（如第1扇區，由U1、U2和零矢量合成）。這樣原有的6個空間電壓矢量可以合成所需的任意方向任意大小的空間電壓矢量，從而電機氣隙磁通更好的逼近圓形。圖1為空間電壓矢量的分解圖，目標空間電壓矢量Uout落在第1扇區里。

EMBED Visio.Drawing.11

圖1 空間電壓矢量的分解

由圖推導

EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT

式中：T為一個控制周期； T1、T2為第1扇區兩基本空間電壓矢量U1、U2持續時間； T0為零矢量持續時間；Uout為目標空間電壓矢量； EMBED Equation.3 、 EMBED Equation.3為目標空間電壓矢量Uout在 EMBED Equation.3 、 EMBED Equation.3 軸的分量。UDC為母線直流電壓。同理推導其他扇區，可得空間電壓矢量在各扇區的分解式。

若設時間變量

EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT

則在每個扇區，組成扇區的兩個空間電壓矢量所作用的時間列在表1中。

表1 各扇區作用矢量及對應時間表

其中， EMBED Equation.3 為目標空間電壓矢量所處扇區，X、Y分別為組成此扇區的空間電壓矢量序號。T1、T2為各個空間電壓矢量作用時間。

2.2 SVM-DTC的實現

SVM-DTC根據定子磁鏈與轉矩的誤差實時地控制定子磁鏈的幅值和將轉矩保持在一定的容差帶內，可以使用兩個PI控制器來調整定子磁鏈的幅值和轉矩，以獲得合成目標空間電壓矢量Uout。如果已知合成目標空間電壓矢量Uout或者是其在EMBED Equation.3、EMBED Equation.3坐標系下的分量EMBED Equation.3、EMBED Equation.3就可以根據表1計算出兩個空間電壓矢量所作用的時間T1和T2，就可以方便地實現SVM-DTC數字控制系統。

圖2 永磁同步電機SVM-DTC仿真模型

3 永磁同步電機SVM-DTC仿真研究

在MATLAB環境下建立永磁同步電機SVM-DTC仿真模型，如圖2所示。仿真模型中包括永磁電機本體模塊、逆變器、開關表、坐標變換、磁鏈的估算、轉矩的估算、轉矩的給定，涵蓋了傳統DTC控制的各組成部分。電機參數為：極對數np=12、直軸電感Ld=0.0023H、交軸電感Lq=0.0025H、永磁體磁勢 EMBED Equation.3=0.133Wb、定子電阻Rs=0.031 EMBED Equation.3 、轉動慣量J=35kg.m2。初始加負載為EMBED Equation.3=0 N.m，額定功率P=360kW。

采用上圖SVM-DTC仿真模型進行研究。給定恒定轉矩為5100N，運行時間為0.7s，在0.26s加入250Nm、持續時間為0.01s的干擾，轉矩仿真曲線如圖2和圖3所示。可以看出，SVM-DTC比DTC的轉矩脈動明顯小了很多，且SVM-DTC的動態性能優于DTC直接轉矩控制，對外界抗干擾能力強，系統魯棒性強。

EMBED Visio.Drawing.11 EMBED Visio.Drawing.11

圖3 轉矩變化曲線 EMBED Visio.Drawing.11 EMBED Visio.Drawing.11

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吉銘成，男，漢族，江蘇丹陽人，目前就讀于江蘇科技大學電子信息學院，主要研究方向為電氣自動化、電機控制等。

Research of Permanent magnet synchronous motor based on space voltage vector constant torque control method

Ji Mingcheng
（School of electronics and information, Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang,212003）

Combining with two kinds of control strategies of vector control and direct torque control,this paper uses space voltage vector modulation(SVM)in studying the direct torque control method of permanent magnet synchronous motor(PMSM),and USES the SVM strategy of permanent magnet synchronous motor direct torque control system for constant torque control simulation.The stimulation results show it improves the stability of the control system.

PMSM；DTC;SVM;constant torque control

圖4 有干擾時轉矩變化曲線