改進永磁同步電機預測直接轉矩控制算法

摘 要：針對永磁同步電機直接轉矩脈動比較大的問題，研究直接轉矩的控制算法。通過對轉矩的脈動原因進行分析，設計滯環改進的矢量細分預測直接轉矩控制算法，并通過仿真與傳統的控制算法進行對比，滯環改進的矢量細分預測直接轉矩控制對磁鏈脈動的減小有很好的改善作用。

關鍵詞：永磁同步電機；直接轉矩控制；轉矩脈動

基金項目：2017年重慶市教委科學技術研究項目（項目編號：KJ1737460）

交流伺服控制系統的永磁同步電機因體積小、結構簡單等優點廣泛應用在電動車、鐵道牽引等領域[1]。在傳統直接轉矩的控制中，主要通過滯環控制磁鏈和轉矩，由于在一個采樣周期內只作用一個基本電壓矢量，因此對于數字實現的滯環控制器來講具有固定的采樣周期[2]，但是誤差超出滯環設置寬度并且當前所選電壓矢量作用完一個采樣周期后，才會出現相應開關狀態進行切換。因此，減小直接轉矩控制系統中出現的轉矩脈動對于交流伺服控制系統的研究具有十分重要的意義。

本文針對永磁同步電機傳統直接轉矩控制脈動較大的缺點，研究基于滯環改進的矢量細分直接轉矩控制算法，并進行仿真驗證。

1 控制系統時序分析及預測策略

直接轉矩控制過程中，通過某一時刻t的電壓和電流可以確定定子磁鏈與電磁轉矩，并根據DTC控制策略得到相應的電壓矢量[3]。理想狀態下，電壓矢量即為t時刻電壓矢量，并在（t+1）時轉矩與磁鏈達到給定值。然而，釆樣過程及數學計算都會產生一定誤差，電壓矢量的期望值都會施加在一定的延遲之后，即（t+1）時施加，直到在（t+2）時轉矩與磁鏈才能夠達到給定值，轉矩與磁鏈的響應總是滯后一個數據處理過程帶來的延遲時間，降低永磁同步電機的運行性能。針對以上控制策略可能出現的問題，本文采用一種基于預測方法[4]的直接轉矩控制策略。可根據t時刻的電壓電流值推導出定子磁鏈與轉矩值，結合永磁同步電機數學模型，預測得到（t+1）時刻的磁鏈與轉矩值，進而選出合適的電壓矢量，解決時間延遲帶來的轉矩與磁鏈脈動較大的問題。

2 轉矩和磁鏈的預測算法

2.1 基于滯環比較器的預測直接轉矩控制

含零電壓矢量直接轉矩實現方案中轉矩滯環輸出則有3種狀態，當轉矩給定與實際轉矩差值大于滯環寬度即Te*-Te>△Te，轉矩滯環輸出τ=1，表示要求增大轉矩；當轉矩給定與實際轉矩差值小于滯環寬度即Te*-Te<△Te，轉矩滯環輸出τ=-1，表示要求減小轉矩；當轉矩給定與實際轉矩差值的絕對值小于滯環寬度即|Te*-Te|<△Te，轉矩滯環輸出τ=0，表示要求維持當前轉矩不變。

2.2 基于矢量細分的預測直接轉矩控制

傳統的直接轉矩控制算法空間電壓矢量的選擇非常有限只有6個，容易造成轉矩的快速增加或減慢使得轉矩的脈動超過滯環寬度的設定值，使電機產生一定的噪聲或劇烈震蕩，影響系統的安全穩定運行。矢量細分是將6個基本的空間電壓矢量細分為12個空間電壓矢量得到改進的開關表。為了方便電壓矢量的選擇，將整個空間分為扇區范圍為300的12個扇區，分別為θ1-θ12。

2.3 基于滯環改進的矢量細分直接轉矩控制

以上分別介紹了兩種直接轉矩控制方法的改進，即基于滯環比較器的改進方案和空間電壓矢量的改進，兩者的目的用于減小轉矩和磁鏈脈動，如果將以上兩種改進方法結合起來作用于預測直接準據控制中可以更好的減小轉矩和磁鏈脈動，使得電機控制的更加精確。

3 仿真結果分析

為了分析不同控制算法減小轉矩脈動的效果，對各預測直接轉矩控制方法進行了Matlab建模仿真。仿真過程中的電機參數如表1所示。

3.1 預測直接轉矩控制仿真

預測直接轉矩控制需要對磁鏈和電流分別預測估算，為了觀察預測算法的改進效果，僅對磁鏈做了預測估算，取預測時間為10us。可以看出，電機的定子磁鏈基本在給定的0.24Wb上下波動，脈動幅度為±0.0025Wb。從電機的輸出轉矩來看，當給定轉矩是2N·m的時候，轉矩在的值在1.1N·m-2.9N·m之間波動，波動幅度為±0.9N·m，對比傳統直接轉矩控制轉矩脈動幅度減小了0.2N·m。

3.2 改進的預測直接轉矩控制算法仿真

1）基于滯環比較器的改進的預測直接轉矩控制仿真。將基于滯環比較器改進的算法作用在預測直接轉矩控制中對其進行了仿真，從仿真結果來看，基于滯環改進的預測直接轉矩控制轉速波形基本和之前預測直接轉矩控制基本相同，但是轉矩脈動較預測直接轉矩控制脈動有所減小，轉矩脈動幅度為±0.25N·m左右，減小了0.15N·m。磁鏈波形也有所改善，脈動范圍雖然變化不大，但是磁鏈超出滯環的部分的時間有所減少，平均值更加接近給定值。

2）基于矢量細分的預測直接轉矩控制仿真。將基于矢量細分的直接轉矩控制作用在預測直接轉矩控控制模型上進行仿真，仿真結果圖1所示。矢量細分的預測直接轉矩控制的轉矩響應對比預測直接轉矩控制脈動有所減小，脈動幅值為±0.35N·m左右，減小了0.05N·m，兩者磁鏈和轉速波形基本相同。

3）基于滯環改進的矢量細分預測直接轉矩仿真。將預測直接轉矩控制和兩種改進直接轉矩控制算法結合即基于滯環改進的矢量細分預測直接轉矩控制。

采用基于滯環改進的矢量細分預測直接轉矩控制轉矩脈動幅度為僅為±0.2N·m左右，相比傳統直接轉矩控制±1.1N·m的脈動，已經減小了很多，磁鏈脈動幅度為±0.002Wb，對比傳統直接轉矩控制減小了0.001Wb，轉速波形基本和之前一致。

4 結論

將不同控制算法的轉矩脈動振幅進行對比，采用磁鏈轉矩預測的預測直接轉矩控制的轉矩脈動為±0.4N·m左右，基于滯環改進的預測直接轉矩控制轉矩脈動為±0.25N·m左右，最后滯環改進的矢量細分預測直接轉矩控制的轉矩脈動僅為±0.2N·m左右，仿真結果表明，滯環改進的矢量細分預測直接轉矩控制對磁鏈脈動的減小有很好的改善作用。

參考文獻

[1]趙玫，鄒繼斌.橫向磁通永磁直線電機研究與發展[J].電氣工程學報，2016，2：1-9.

[2]李杰，韓峻峰.基于SVPWM的電動汽車直接轉矩控制方法研究[J].機電工程，2014，7：898-902.

[3]年珩，萬中奇.永磁同步發電機的預測直接轉矩控制[J].電力電子技術，2013，6：83-85.

[4]萬中奇.永磁同步發電機預測直接轉矩控制策略研究[D].杭州：浙江大學電氣學院，2013，7-9.

作者簡介

黨嬌（1989-），女，陜西富平人，助教，碩士，主要從事智能檢測與控制研究方面的工作。