《電子技術(shù)應(yīng)用》
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轉(zhuǎn)矩優(yōu)先控制的永磁同步電機(jī)DTC方法
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
龔嬡雯,趙龍章,吳 揚(yáng),墨 蒙
南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京211816
摘要: 針對(duì)永磁同步電機(jī)SVM-DTC方法中參考電壓矢量不易于獲取的問(wèn)題,提出了一種基于轉(zhuǎn)矩優(yōu)先控制的SVM-DTC方法。根據(jù)轉(zhuǎn)矩優(yōu)先控制的原則,在拓展的電壓矢量表中選擇能夠快速改變轉(zhuǎn)矩的電壓矢量,然后結(jié)合實(shí)際轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的差值,確定參考電壓矢量的作用時(shí)間。方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),既保持了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的快速性和較強(qiáng)的魯棒性,又擁有SVM-DTC中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小和功率器件開關(guān)頻率固定的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)MATLAB/SIMULINK搭建系統(tǒng)模型,仿真結(jié)果可以證明方法的有效性。
中圖分類號(hào): TM341
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171840
中文引用格式: 龔嬡雯,趙龍章,吳揚(yáng),等. 轉(zhuǎn)矩優(yōu)先控制的永磁同步電機(jī)DTC方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(2):135-138.
英文引用格式: Gong Aiwen,Zhao Longzhang,Wu Yang,et al. Torque priority control for PMSM DTC method[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(2):135-138.

Torque priority control for PMSM DTC method
Gong Aiwen,Zhao Longzhang,Wu Yang,Mo Meng
College of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing Technology University,Nanjing 211816,China
Abstract: A method of PMSM DTC method based on giving priority to the torque control was proposed due to the problem that the reference voltage vector was difficult to compute in PMSM SVM-DTC method. The reference voltage vector of making torque change quickly was selected in the expanded vector table on the basis of torque priority control principle. And combined with the difference between feedback torque and reference torque could determine the operating time of the reference voltage vector. The structure of this new method is simple and easy to implement. It has not only the quick response and strong robust inherited from traditional DTC method but also small torque ripple and fixed switching frequency in power device inherited from SVM-DTC. The system model was set up in MATLAB/SIMULINK and the simulation verifies that the method is effective.
Key words : permanent magnet synchronous motors;torque priority;reference voltage vector;sector subdividing;direct torque control

0 引言

    永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速并且對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴小,因此受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)DTC方法中,采用6扇區(qū)劃分的方法,使用6個(gè)基本的電壓矢量控制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很大,并且逆變器的開關(guān)頻率也不恒定,使其性能惡化[1-2]。因此一些新的思想便不斷產(chǎn)生。文獻(xiàn)[3]通過(guò)十二扇區(qū)劃分減小了矢量作用的不對(duì)稱,改善了DTC的性能。文獻(xiàn)[4]用磁鏈限幅取代了磁鏈滯環(huán),通過(guò)選取快速改變定子磁鏈交軸分量的電壓矢量來(lái)控制轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[5,6]通過(guò)轉(zhuǎn)矩給定與實(shí)際值之差計(jì)算得出矢量作用有效時(shí)間,控制周期內(nèi)其他時(shí)間由零矢量作用來(lái)減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[7]將扇區(qū)細(xì)分與占空比調(diào)節(jié)相結(jié)合改善了磁鏈軌跡和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[8-13]在DTC中采用空間電壓矢量調(diào)制(SVPWM)的方法直接產(chǎn)生最合適的電壓矢量,從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

    本文是在前人研究的基礎(chǔ)上,意圖保持快速響應(yīng)、魯棒性好和無(wú)需定子磁鏈準(zhǔn)確位置的優(yōu)點(diǎn)的前提下,盡可能最大限度地改善轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題。因此本文研究了一種在30°區(qū)間劃分中,以轉(zhuǎn)矩優(yōu)先控制,定子磁鏈賦值控制為輔助,直接選定參考電壓矢量所在扇區(qū),并由轉(zhuǎn)矩參考值與實(shí)際值之差實(shí)時(shí)地決定所在扇區(qū)兩相鄰矢量在SVPWM方法中各自的作用時(shí)間的直接轉(zhuǎn)矩控制方法。方法具有快速響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、功率器件開關(guān)頻率相對(duì)固定并且不依賴于電機(jī)參數(shù)的特點(diǎn)。

1 永磁同步電機(jī)SVM-DTC

1.1 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩

    在永磁同步電機(jī)的控制方法中存在幾種坐標(biāo)系,通過(guò)不同坐標(biāo)系之間的關(guān)系可以很清晰地理解轉(zhuǎn)矩的公式。不同坐標(biāo)系之間的關(guān)系如圖1所示。

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    表貼式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式為:

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    在轉(zhuǎn)矩公式中,只有定子磁鏈幅值與轉(zhuǎn)矩角為變化量,通過(guò)固定定子磁鏈幅值,直接改變轉(zhuǎn)矩角來(lái)快速改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

1.2 電壓矢量

    永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中多采用三相兩電平的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),abc三個(gè)橋壁的開關(guān)組合構(gòu)成了基礎(chǔ)的8個(gè)電壓矢量。除了兩個(gè)零矢量U0和U7外,剩余6個(gè)電壓矢量(U1~U6)幅值相等,方向依次相隔60°,如圖2所示。

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    根據(jù)定子磁鏈所在扇區(qū)和轉(zhuǎn)矩磁鏈變化情況從基本電壓矢量中挑選一個(gè)最合適的電壓矢量實(shí)施,來(lái)有目的的改變轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值。

1.3 電壓矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響

    永磁同步電機(jī)的電壓方程為:

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    由式(3)可知,電壓矢量以及采樣周期決定了定子磁鏈的變化。再結(jié)合轉(zhuǎn)矩式(1)可知,合適的電壓矢量能夠有效控制轉(zhuǎn)矩的變化。

    由于基礎(chǔ)電壓矢量只有8個(gè),因此就會(huì)穩(wěn)態(tài)下產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。要想改善轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng),就要優(yōu)化電壓矢量,使得任何時(shí)刻都可以根據(jù)需求獲得最優(yōu)的電壓矢量。

1.4 SVM-DTC方法

    要優(yōu)化電壓矢量,獲取任意的電壓矢量,就要依靠空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)。基本電壓矢量數(shù)量雖然有限,但是結(jié)合SVPWM算法就可以通過(guò)相鄰兩個(gè)電壓矢量組合,合成任意需要的電壓矢量。SVM-DTC就是通過(guò)這種方法生成最適合的參考電壓矢量來(lái)較好的維持定子磁鏈賦值和改變轉(zhuǎn)矩。SVM-DTC方法的核心就是準(zhǔn)確的獲得參考電壓矢量。

2 轉(zhuǎn)矩優(yōu)先控制的SVM-DTC方法

    傳統(tǒng)SVM-DTC力圖得到最優(yōu)的電壓矢量,而計(jì)算電壓矢量是比較復(fù)雜的,雖然已經(jīng)有很多種較好的獲取參考電壓矢量的方法,但是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和對(duì)電機(jī)準(zhǔn)確參數(shù)的依賴始終違背了直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速和魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。

    根據(jù)以上分析,通過(guò)扇區(qū)細(xì)分,以轉(zhuǎn)矩優(yōu)先控制和盡量維持定子磁鏈幅值恒定為準(zhǔn)則選擇合適的電壓矢量,并結(jié)合SVPWM來(lái)實(shí)施,能夠有效解決上述問(wèn)題。

2.1 十二扇區(qū)劃分

    本文提出的方法是以轉(zhuǎn)矩的快速跟蹤為前提的,因此,根據(jù)式(1)和式(3)可知,當(dāng)固定定子磁鏈賦值后,超前或滯后于定子磁鏈角度90°電角度的電壓矢量是可以最快速度改變轉(zhuǎn)矩的電壓矢量。基于不依賴準(zhǔn)確位置信息和電機(jī)參數(shù)的前提,所提出方法中在90°范圍內(nèi),允許一定的容差,同時(shí),利用電壓矢量角度偏差來(lái)補(bǔ)償設(shè)定定子磁鏈幅值與實(shí)際定子磁鏈幅值的差值。

    本文偏差角設(shè)定為30°。因此參考電壓矢量的位置就在定子磁鏈的90°±30°和-90°±30°電角度范圍內(nèi),這樣配合30°的扇區(qū)劃分,就使得電壓矢量的選取變得一目了然。如圖3所示,采用30°扇區(qū)的劃分,扇區(qū)標(biāo)號(hào)為S0到S11。U0到U11為本文方法中的基礎(chǔ)電壓矢量。

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2.2 參考電壓矢量的選取

2.2.1 參考電壓矢量的方向選擇

    只要確定了定子磁鏈?zhǔn)噶康纳葏^(qū),參考電壓矢量就在此扇區(qū)前后的第3個(gè)扇區(qū)內(nèi)。假定定子磁鏈在S0扇區(qū),則參考電壓矢量則在S3或S9扇區(qū)。因?yàn)槠钪翟试S在30°內(nèi),因此這兩個(gè)扇區(qū)的邊界處的U3、U4和U9、U10這些基礎(chǔ)電壓矢量顯然都在偏差角度范圍內(nèi)并且易于合成。因此通過(guò)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值的四種變化情況來(lái)從這四個(gè)矢量中選擇最合適的一個(gè)作為參考電壓矢量的方向。

2.2.2 參考電壓矢量的幅值確定

    現(xiàn)在已經(jīng)確定了參考電壓矢量的方向,接下來(lái)確定其幅值的大小。由于大的矢量幅值會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。因此通過(guò)式(4)來(lái)限制參考電壓矢量的幅值。

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    式(4)中M為可調(diào)參數(shù)。當(dāng)前周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩的改變量很大時(shí),通過(guò)增大參考電壓矢量幅值以快速跟隨轉(zhuǎn)矩變化,而當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到給定值開始趨于穩(wěn)定時(shí),通過(guò)減小參考電壓矢量的幅值以盡量減小轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。

2.3 SVPWM的改進(jìn)

    在永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)中,常規(guī)的SVPWM是一個(gè)模塊,輸入?yún)⒖茧妷菏噶吭讦?β坐標(biāo)系中的分量,通過(guò)一系列算法,最后輸出功率器件的開關(guān)控制信號(hào)。

    在文中的方法中,由于在參考電壓矢量為十二扇區(qū)中的12個(gè)基礎(chǔ)電壓矢量U0到U11之一的一定比例,而基礎(chǔ)電壓矢量中每個(gè)矢量對(duì)應(yīng)的SVPWM中的扇區(qū)和時(shí)間都是確定的。因此,根據(jù)矢量標(biāo)號(hào)進(jìn)行查表就可以獲得該基礎(chǔ)電壓矢量在SVPWM中所在的扇區(qū)N以及合成所需時(shí)間T1max和T2max。再根據(jù)參考電壓矢量的幅值,對(duì)時(shí)間T1max和T2max進(jìn)行一定的處理,就能得到參考電壓矢量在SVPWM中合成所需的T1和T2。

    根據(jù)扇區(qū)N,以及時(shí)間T1和T2,通過(guò)改進(jìn)后的SVPWM生成開關(guān)控制信號(hào)。結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

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2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    永磁同步電機(jī)精簡(jiǎn)SVM-DTC系統(tǒng)如圖5所示。

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3 仿真研究

    在MATLAB/Simulink環(huán)境下對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真研究。永磁同步電機(jī)的永磁磁鏈為0.175 Wb,定子電感8.5 mH,定子電阻2.88 Ω,極對(duì)數(shù)為2,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.000 8 kg·m2。定子磁鏈幅值給定設(shè)置為0.175 Wb。

3.1 定子磁鏈分析

    本文方法是以轉(zhuǎn)矩優(yōu)先控制為核心思想,只是在對(duì)轉(zhuǎn)矩控制之余兼顧了定子磁鏈的變化方向,讓其在參考定子磁鏈幅值的附近波動(dòng)。從仿真結(jié)果上看,其波動(dòng)范圍比較小。圖6為定子磁鏈幅值波形。

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3.2 轉(zhuǎn)速突變分析

    設(shè)定0.05 s時(shí)刻,轉(zhuǎn)速由1 500 r/min突變到1 000 r/min,觀察轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的變化。

    通過(guò)圖7可以得知,系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速的跟蹤速度很快,大約0.01 s。這樣效果得益于以轉(zhuǎn)矩控制為核心的控制策略。圖8為轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)圖,可以看出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度非常快,并且穩(wěn)定后脈動(dòng)極小。

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3.3 轉(zhuǎn)矩突變分析

    設(shè)定在0.05 s時(shí)突加5 N·m負(fù)載。觀察負(fù)載發(fā)生變化時(shí),轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的變化,根據(jù)仿真結(jié)果,其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線如圖9所示。

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    轉(zhuǎn)矩能快速跟蹤轉(zhuǎn)矩。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,在空載時(shí),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大約在0.03 N·m。在加入負(fù)載后大約在0.07 N·m。性能良好。

3.4 系統(tǒng)性能分析

    通過(guò)以上仿真結(jié)果,可以看出,無(wú)論是響應(yīng)速度還是脈動(dòng)的大小,本系統(tǒng)都得到了很好的表現(xiàn)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,只在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中用到了PI調(diào)節(jié)器,通過(guò)簡(jiǎn)化SVPWM,簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。并且系統(tǒng)中涉及到的電機(jī)參數(shù)極少,大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。與傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制相比,本文所述的方法具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和固定的功率器件開關(guān)頻率。與傳統(tǒng)SVM-DTC方法相比,本文所述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速和魯棒性強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

    本文研究了一種以轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)先的SVM-DTC方法。從參考電壓矢量的獲取和實(shí)施上簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu),在改善了性能的同時(shí),使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。仿真的結(jié)果表明此系統(tǒng)具有優(yōu)異的性能。

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作者信息:

龔嬡雯,趙龍章,吳  揚(yáng),墨  蒙

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京211816)

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