基于固定矢量作用時間的新型直接轉矩控制系統

    徐艷平¹，鐘彥儒¹，于宏全²

(1西安理工大學，陜西西安710048；2中興通訊股份有限公司，陜西西安710065)

摘要：永磁同步電動機傳統直接轉矩控制具有轉矩脈動大、開關頻率不恒定等缺點，在分析傳統直接轉矩控制中磁鏈和轉矩脈動的基礎上，利用固定矢量作用時間合成新矢量的新型直接轉矩控制方法控制永磁同步電動機。該方法根據轉矩和磁鏈誤差來選擇基本電壓矢量對，根據磁鏈的位置和轉矩誤差的大來確定所選擇的基本電壓矢量的作用時間，從而得到了新的合成電壓矢量進行控制。仿真結果表明基于固定矢量作用時間的新型直接轉矩控制方法能夠有效減小傳統直接轉矩控制方法中的磁鏈和轉矩脈動，同時不增加控制的復雜性，明顯改善了系統的控制性能。

    關鍵詞：直接轉矩控制；永磁同步電動機；轉矩脈動；電壓矢量

    中圖分類號：TM341  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2010)04—0059—03

0引  言    

    永磁同步電動機具有高功率密度和高轉矩慣性比，因此廣泛應用于高性能驅動系統中^[1]。永磁同步電動機的控制方式主要采用矢量控制和直接轉矩控制。與矢量控制相比，直接轉矩控制具有控制方式簡單、轉矩響應快、便于實現全數字化的優點^[2]。但是直接轉矩控制也具有轉矩脈動大、開關頻率不恒定等缺點，因此許多學者提出了一些改進方法，如利用離散空間矢量方法^[3]、空間矢量調制方法^[4-5]、占空比控制方法^[6]等，以改進傳統直接轉矩控制方法中的這些缺點。

    本文分析了永磁同步電動機傳統直接轉矩控制中的磁鏈和轉矩脈動的影響因素，詳細介紹了以相鄰基本電壓矢量利用固定矢量作用時間合成新矢量的永磁同步電動機新型直接轉矩控制方法，并用Matlab仿真軟件對該控制方法進行了仿真，仿真結果表明所采用的方法可以有效地減小傳統直接轉矩控制中的轉矩和磁鏈脈動。

1傳統直接轉矩控制中的磁鏈和轉矩脈動分析

    在永磁同步電動機傳統直接轉矩控制中，磁鏈和轉矩的控制是采用磁鏈和轉矩滯環控制器來實現的。在逆變器的各個開關周期中，所選擇的電壓矢量一直作用于電機，磁鏈和轉矩始終沿著一個方向變化，由于采用滯環控制，當磁鏈值由小變大達到給定值時，電壓矢量仍然繼續作用，直到磁鏈值和磁鏈額定值的誤差達到磁鏈滯環寬度，才改變電壓矢量，并且只有當本次控制周期結束時，逆變器才真正改變開關狀態，轉矩的控制方式也是如此，因此磁鏈和轉矩脈動會超出所設定的容差范圍。下面就磁鏈和轉矩脈動做一簡要分析。   

1．1磁鏈脈動  

    直接轉矩控制中，定子電壓與磁鏈的關系式：

式中：us為定子電壓is為定子電流；Ψs為定子磁鏈；Rｓ為永磁同步電動機定子電阻。式(1)離散化后可以寫成：

式中：Ｔｓ為采樣時間。在一個采樣時間內磁鏈的變化值：

式(3)說明減小采樣周期，磁鏈變化值就會減小，同時，如果能夠合理控制一個采樣周期內作用于電機的電壓值，那么同樣可以減小磁鏈脈動。

1．2轉矩脈動

    永磁同步電動機的轉矩計算式：

式中：機為永磁電機的轉子磁鏈；p為電機極對數；Ｌｄ、Ｌq為電感的d、q軸分量；δ為定轉子磁鏈之間的夾角。當Ψs恒定不變踺．對式(4)插直于δ求微分．可得

當轉矩變化很小時，有：

在電機運行過程中，若磁鏈變化△Ψs，負載角δ也會變化，如圖1所示，動態情況下，負載角δ圖1定子磁鏈動態變化圖