柳 凌，錢祥忠

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

基于空間矢量調(diào)制的永磁同步電機無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制

柳 凌，錢祥忠

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

提出一種基于空間矢量調(diào)制的永磁同步電機無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制策略，并將能實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速辨識的模型參考自適應(yīng)方法應(yīng)用于控制中，利用Matlab / Simulink對控制系統(tǒng)進行了仿真研究，同時對該永磁同步電機進行SVM-DTC方法的實驗．仿真和實驗結(jié)果表明，該策略具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，能快速動態(tài)響應(yīng)，有效減小轉(zhuǎn)矩和電流的脈動，提高系統(tǒng)的控制性能．

空間矢量調(diào)制；直接轉(zhuǎn)矩控制；永磁同步電機；無速度傳感器控制；模型參考自適應(yīng)

在永磁同步電機（PMSM）的常規(guī)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）中，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制是采用磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器來實現(xiàn)的．在逆變器的各個開關(guān)周期中，所選擇的電壓矢量一直作用于電機，磁鏈和轉(zhuǎn)矩始終沿著一個方向變化，當磁鏈值由小變大達到給定值時，電壓矢量仍然繼續(xù)作用，直到磁鏈值和磁鏈額定值的誤差達到磁鏈滯環(huán)寬度，并且只有當本次控制周期結(jié)束時逆變器才真正改變開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩的控制方式也是如此，這將會導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動增大，低速時定子磁鏈難以準確觀測，從而使系統(tǒng)低速性能難以提高[1-3]．為了克服上述缺點，較為理想的辦法是對輸出的定子電壓矢量進行調(diào)制（SVM），在不改變系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的條件下獲得更多的、連續(xù)變化的電壓空間矢量，進而實現(xiàn)對電機磁鏈、轉(zhuǎn)矩更準確的控制[4-5]．為了提高直接轉(zhuǎn)矩控制的性能，要求準確確定轉(zhuǎn)子的速度和位置，而速度傳感器的安裝又容易使系統(tǒng)的可靠性降低、成本增加，因此，通常是根據(jù)模型參考自適應(yīng)（MRAS）理論[6-7]，采用無速度傳感器的系統(tǒng)，利用檢測到的電機電壓、電流和數(shù)學(xué)模型來估算轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速．本文將SVM策略引入PMSM DTC系統(tǒng)中，以期在不增加系統(tǒng)硬件復(fù)雜性的條件下改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，并保持其優(yōu)異的動態(tài)性能．仿真和實驗結(jié)果驗證了本文提出的SVM-DTC策略的正確性和可行性．

1 無速度傳感器的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

永磁同步電機PMSM具有體積小、重量輕、維護簡單及效率高等優(yōu)點．高性能永磁同步電機控制系統(tǒng)通常需要在電機軸上安裝傳感器（如編碼器等），以提供電機控制所需要的轉(zhuǎn)子位置和速度信號，但安裝傳感器會增加系統(tǒng)成本，增大電機的尺寸和轉(zhuǎn)動慣量，降低系統(tǒng)的可靠性，同時也會限制傳動系統(tǒng)在一些特殊場合的推廣應(yīng)用，因此，無傳感器化將成為高性能永磁同步電機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向．

PMSM的數(shù)學(xué)模型及其直接轉(zhuǎn)矩控制的工作原理：在同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標中，面裝式PMSM的電壓方程和轉(zhuǎn)矩方程為：

2 基于MRAS理論的轉(zhuǎn)子位置和速度估算

目前，永磁同步電動機無位置傳感器位置估算的方法主要有基于數(shù)學(xué)模型的直接估算法、模型參考自適應(yīng)估算法和基于觀測器的估算法等．直接估算法和基于觀測器的估算法都依賴電機參數(shù)，而電機參數(shù)在運行過程中變化較大，會影響估算的準確性．參考自適應(yīng)方法的主要思想是，將不含未知參數(shù)的方程作為參考模型，將含有待估計參數(shù)的方程作為可調(diào)模型，兩個模型具有相同物理意義的輸出量，利用兩個模型輸出量的誤差加上合適的自適應(yīng)律來實時調(diào)節(jié)可調(diào)模型的參數(shù)，以達到參數(shù)辨識的目的．由于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的計算量不大，相對容易實現(xiàn)，具有較快的自適應(yīng)速度，能夠應(yīng)用在多種情況下，因而具有很高的工程應(yīng)用價值．本文將采用模型參考自適應(yīng)方法，對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的PMSM的定子電阻和轉(zhuǎn)速進行辨識．

基于MRAS的PMSM DTC控制系統(tǒng)如圖1所示．

圖1 基于MRAS的PMSM DTC控制系統(tǒng)框圖

3 基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

空間矢量調(diào)制（SVM）策略是利用逆變器固有的基本電壓空間矢量合成所需的電壓空間矢量，在一個控制周期內(nèi)選擇相鄰兩個非零電壓矢量和零電壓矢量，計算每個電壓矢量的作用時間，從而合成所需的電壓空間矢量[2-5]．空間矢量調(diào)制的目標就是計算出合適的電壓矢量及其作用時間，控制電機定子磁鏈在指定的時間內(nèi)運動到給定位置．考慮到三相繞組三相導(dǎo)通狀態(tài)，逆變器的開關(guān)模式只有6個基本定子電壓和2個非零矢量，共8種，電壓空間矢量調(diào)制就是通過這些基本電壓矢量將復(fù)平面劃分為6個扇區(qū)，對于任意定子電壓空間矢量Vs，在給定的PWM周期Ts，都可以由 2個相鄰的基本電壓矢量合成，且分量的大小、作用時間與 Vs和分量之間的夾角相關(guān)．若Vs在區(qū)間N內(nèi)，與基本電壓矢量VN的夾角為θ，則相鄰的兩個電壓矢量VN、VN+1和零矢量V0、V7的作用時間分別為：

其中，T1、T2、T0、T7分別為電壓矢量VN、VN+1、V0、V7的對應(yīng)作用時間，Vsα、Vsβ分別為Vs在α、β軸的分量值，Vdc為直流母線電壓．根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差和定子磁鏈誤差，借助空間電壓矢量調(diào)制原理，實時合成一個最佳電壓矢量作用于電機，使電機的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈誤差恰好得到補償，從而減小電機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，實現(xiàn)逆變器的開關(guān)頻率恒定．基于空間矢量調(diào)制和MRAS的無速度傳感器PMSM SVM-DTC系統(tǒng)如圖2所示，其中的參考磁鏈計算模型單元、SVM單元，基于MRAS的速度估算單元分別代替了傳統(tǒng)DTC中的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)比較器、開關(guān)表和速度傳感器．在圖2中，轉(zhuǎn)矩參考分量由參考速度和估算速度之差的PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，估算速度可以通過直流母線電壓Ud和三相定子電流的MRAS方法獲得[6-7]．

圖2 基于MRAS的PMSM SVM-DTC控制系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)仿真和實驗結(jié)果

對一臺隱極式永磁同步電機進行仿真和實驗．

圖3 無速度傳感器PMSM SVM-DTC系統(tǒng)的仿真模型圖

在Matlab / Simulink環(huán)境下進行仿真的模型如圖3．電機參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速2 000 r / min，額定電流6.3 A，額定電壓128 V，額定功率1 kW，電機極對數(shù)3，定子電阻4.1 Ω，直軸電感19.2 mH．在仿真過程中，SVM-DTC采樣周期均采用200 μs．在給定負載為1.5 N?m、給定速度在0.1 s處由0 r / min突然增加到1 000 r / min時，對基于SVM的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制進行仿真的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線見圖4．圖4也給出了常規(guī)DTC控制的速度和轉(zhuǎn)矩仿真曲線．

圖4 SVM-DTC控制和常規(guī)DTC控制的速度和轉(zhuǎn)矩仿真曲線

因為常規(guī)DTC在每個采樣周期只能選擇有限的6個基本空間電壓矢量來控制磁鏈，所以比較粗糙．SVM-DTC控制由于零矢量的存在，能組合成任意的線性組合的空間電壓矢量來控制磁鏈運動，控制更加精確和細膩．正是因為這樣，SVM-DTC控制的轉(zhuǎn)矩才會明顯優(yōu)于常規(guī)DTC．仿真分析表明，SVM-DTC控制轉(zhuǎn)矩脈動較小，啟動時雖然有一個比較大的脈動，但是能夠很快地恢復(fù)，而且速度響應(yīng)更穩(wěn)定，無論是靜態(tài)效果還是動態(tài)效果都優(yōu)于常規(guī)DTC控制，仿真結(jié)果也驗證了該方法的正確性．

本文設(shè)計的基于TMS320F2812 DSP的無傳感器PMSM控制系統(tǒng)主要由PC機與仿真器、DSP控制板、功率驅(qū)動板、永磁同步電機等4個部分組成．PC機在調(diào)試過程中經(jīng)仿真器與DSP開發(fā)板連接，負責軟件模塊的編寫、程序載入和程序調(diào)試工作；DSP控制部分通過ADC對電流進行采樣處理，通過模型參考自適應(yīng)估算電機的位置和轉(zhuǎn)速，進行矢量控制生成PWM控制信號；功率驅(qū)動板具有強弱電隔離、驅(qū)動及功率模塊，有保護邏輯生成、電流采樣等功能，其中的核心部分是向 PMSM提供驅(qū)動電壓的逆變器．在這樣的實驗系統(tǒng)上進行實驗測試（實驗測試時的參數(shù)與仿真時的基本一樣），并與常規(guī)DTC的測試結(jié)果[8]進行對比，結(jié)果見圖5．

圖5 SVM-DTC控制和常規(guī)DTC控制的速度和轉(zhuǎn)矩實驗曲線

從實驗結(jié)果來看，二者的動態(tài)性能都很好，但是SVM-DTC控制的轉(zhuǎn)矩脈動小，穩(wěn)態(tài)性能更好，轉(zhuǎn)速更平穩(wěn)，只是實驗結(jié)果不如仿真結(jié)果那么理想，都稍稍有點超調(diào)，但是都能較快恢復(fù)．通過實驗進一步驗證了SVM-DTC控制方法是可行的．

[1] 周華偉, 劉國海. 基于空間電壓矢量調(diào)制的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究[J]. 微電機, 2006, 39(7): 38-40.

[2] 王斌, 王躍, 王兆安. 空間矢量調(diào)制的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 電機與控制學(xué)報, 2010, 14(6): 45-50.

[3] 郎寶華, 劉衛(wèi)國, 賀虎成. 基于空間矢量調(diào)制的 PMSM 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2009, 21(3): 836-840.

[4] 王旭, 邢巖, 劉巖, 等. 永磁同步電機無速度傳感器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[J]. 東北大學(xué)學(xué)報, 2012, 33(5): 618-621.

[5] 李君, 李毓洲. 無速度傳感器永磁同步電機的SVM-DTC控制[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2007, 27(3): 8-34.

[6] 齊放, 鄧智泉, 仇志堅, 等. 基于MRAS的永磁同步電機無速度傳感器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2007, 22(4): 53-58. [7] 萬文斌, 陳鵬程, 蘇振東. 基于 MARS的永磁同步電機無速度傳感器滑?？刂蒲芯縖J]. 電氣自動化, 2011, 33(2): 7-10.

[8] 何師, 邱阿瑞, 袁新枚. 基于SVM的永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制實驗研究[J]. 微電機, 2008, 41(4): 6-8.

The Direct Torque Control of the Permanent Magnet Synchronous Motor’s Speedless Sensor Based on Space Vector Modulation

LIU Ling, QIAN Xiangzhong
(School of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

The control strategy for the direct torque control of the permanent magnet synchronous motor’s sensor based on space vector modulation is proposed, and the model reference adaptive system method for identifying motor speed is applied to the control. Matlab / Simulink is used to simulate the control system, and drawing on SVM-DTC method, an experiment is conducted on the permanent magnet synchronous motor. The simulation and experiment show that the strategy has good properties of stability and dynamicity capable of having fast dynamic response, effective reduction of the torque and current ripple, and improvement of the control performance of the system.

Space Vector Modulation; Direct Torque Control; Permanent Magnet Synchronous Motor; Control of Speedless Sensor; Model Reference Adaptive

TM301.2

A

1674-3563(2014)01-0039-07

10.3875/j.issn.1674-3563.2014.01.006 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：王一芳)

2013-05-06

浙江省重點科技創(chuàng)新團隊自主設(shè)計項目(2012R10006-12)

柳凌(1987- )，男，湖南岳陽人，碩士研究生，研究方向：計算機檢測與控制