魏保立，張瑞坤

(鄭州鐵路職業(yè)技術學院，鄭州450000)

0 引 言

控制系統(tǒng)優(yōu)劣對橫向磁通永磁電機性能發(fā)揮有很大影響，直接轉矩控制是在保持定子磁鏈幅值不變的前提下改變定子磁鏈的旋轉方向和速度，從而達到控制電機輸出轉矩的目標［1］。直接轉矩控制在與其它控制方法對比中具有動態(tài)性能好、結構簡單和響應速度快等優(yōu)點，并且其實現(xiàn)了轉矩與磁鏈近似解耦，因而得到電機控制領域的廣泛關注［2-3］。

電壓矢量的選擇在直接轉矩控制開關表中具有重要的地位。在某一瞬時時間段內應盡量選擇既能滿足動態(tài)性能又能減小轉矩和磁鏈脈動的單一電壓矢量，前后兩個時間段內的電壓矢量可能會有較大差異，但是由于各個時間段內所施加電壓矢量的不連續(xù)性，這樣就造成在一個周期內轉矩與磁鏈之間存在較大變化。

基于空間矢量直接轉矩控制，本文提出基于定子磁鏈十八扇區(qū)細分法的永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)控制方案，減小兩個快速切換矢量間的幅值，降低磁鏈脈動，優(yōu)化直接轉矩控制效果。研究表明，定子磁鏈十八扇區(qū)細分法的電壓矢量直接轉矩(以下簡稱SVM -DTC)控制方法可以通過抑制轉矩脈動達到改善電機低速性能。

1 SVM-DTC 控制算法

在直接轉矩控制中電磁轉矩的控制是通過控制磁鏈的平均旋轉速度實現(xiàn)的，只要在每一時間段內選擇合適的空間電壓矢量控制定子磁鏈走走停停得以實現(xiàn)，就可以改變定轉子磁鏈的夾角。分析坐標系d-q 中PMSM 磁鏈關系，可得到定子磁鏈坐標系下電壓和轉矩方程式:

直接轉矩控制和空間電壓矢量都具有一定的優(yōu)缺點，研究人員將二者進行結合，形成SVM -DTC，它兼顧了二者優(yōu)點，在一定程度上彌補了各自的不足［4-5］。空間電壓矢量直接轉矩控制使下一個周期的觀測轉矩和磁鏈幅值等于給定值，從而在一周期內確定了下一個周期的控制量變化方向和大小，能有效減小磁鏈幅值和轉矩的脈動改善控制效果。

SVM-DTC 控制算法磁鏈軌跡比常規(guī)DTC 磁鏈軌跡要相對平滑，整個控制過程沒有出現(xiàn)磁鏈急速變化和波動幅值大的情況，這凸顯了SVM 控制和DTC 控制相結合的優(yōu)良性，克服了常規(guī)DTC 因采用兩個滯環(huán)控制器和零電壓矢量來獲得轉矩快速響應而犧牲系統(tǒng)穩(wěn)定性的缺陷［6］?？臻g電壓矢量直接轉矩控制的圓形磁鏈控制中選擇多個電壓矢量控制一個區(qū)域內的定子磁鏈和轉矩。基于六邊形電壓矢量的直接轉矩控制定子磁鏈軌跡如圖1 所示。

圖1 六邊形電壓矢量定子磁鏈軌跡

從圖1 中可以看出，六邊形直接轉矩控制可基本實現(xiàn)預期的轉矩控制，但產(chǎn)生的磁鏈軌跡明顯波動較大，很不均勻，動態(tài)平衡范圍大，對電機轉矩和轉速的控制都會產(chǎn)生不良影響，降低電機工作性能。

2 定子磁鏈扇區(qū)細分法

2.1 十二扇區(qū)定子磁鏈細分法

直接轉矩控制是通過選擇適當?shù)亩ㄗ与妷菏噶繉⑥D矩和定子磁鏈誤差限制在滯環(huán)寬度內，但離散分布的不同電壓矢量間切換使得磁鏈發(fā)生突變，造成磁鏈幅值的急速增大或減小，引起磁鏈畸變，造成轉矩脈動。六邊形矢量選擇表中只有六個空間電壓矢量，會導致轉矩脈動超過設定的滯環(huán)寬度，使電機產(chǎn)生轉矩脈動，影響電機的工作性能。

將常規(guī)定子磁鏈六扇區(qū)劃分為定子磁鏈十二扇區(qū)，可在不改變源逆變器電路拓撲前提下選擇更多的矢量，減小因電壓矢量交替產(chǎn)生的轉矩脈動。六扇區(qū)磁鏈軌跡中存在諧波分量，5 次和7 次諧波分量最大。十二扇區(qū)定子磁鏈細分法可以削弱5 次和7 次諧波分量，但11 次和13 次諧波分量相比于由六扇區(qū)磁鏈軌跡卻有所增加［7-8］。

2.2 十八扇區(qū)定子磁鏈細分法

在十二扇區(qū)細分的基礎上，本文提出定子磁鏈進一步細分的SVM -DTC PMSM 控制方案，將定子磁鏈由十二扇區(qū)細分為十八扇區(qū)，以削弱定子電流中的5 次、7 次、11 次和13 次諧波分量。

圖2 十八扇區(qū)磁鏈直接轉矩控制扇區(qū)

十八扇區(qū)直接轉矩控制扇區(qū)及電壓矢量選擇如圖2 所示。PMSM 定子磁鏈十八扇區(qū)直接轉矩控制的結構如圖3 所示。定子磁鏈十八扇區(qū)的空間矢量選擇同六邊形磁鏈空間矢量選擇一樣，根據(jù)定子磁鏈矢量的各分量大小可以判斷十八扇區(qū)定子磁鏈所在扇區(qū)。依據(jù)六扇區(qū)定子磁鏈空間矢量所在扇區(qū)的判定，作十八扇區(qū)的扇區(qū)判斷，得到十八扇區(qū)電壓矢量選擇，如表1 所示，表中只列出前9 個扇區(qū)。

表1 定子磁鏈十八扇區(qū)電壓矢量選擇表

表1 中P 為正反轉控制的輸出信息，“1”為正轉，“0”為反轉;T 為轉矩控制的輸出信息，“1”為需要增加轉矩，“0”為不需要增加轉矩;F 為磁鏈控制的輸出信息，“1”為需要增加磁鏈幅值，“0”為不需要增加磁鏈幅值。

依據(jù)PMSM 定子磁鏈十八扇區(qū)直接轉矩控制結構圖，在Simulink 環(huán)境中建立定子磁鏈十八扇區(qū)細分SVM-DTC 仿真模型，得到如圖4 所示的定子磁鏈軌跡圖。

圖4 表明定子磁鏈十八扇區(qū)的磁鏈軌跡比六扇區(qū)的磁鏈軌跡要相對平滑，整個控制過程沒有出現(xiàn)磁鏈急速變化和波動幅值大的情況。

定子磁鏈十八扇區(qū)細分SVM -DTC 方式下三相電流仿真如圖5 所示，轉速曲線如圖6 所示。電機運行處于平穩(wěn)狀態(tài)后三相電流峰值對稱分布，基于定子磁鏈十八扇區(qū)細分的SVM -DTC 能夠滿足控制要求?？梢钥闯鲛D速在0.02 s 時就達到穩(wěn)定，且沒有轉速超調現(xiàn)象。在轉速快速達到穩(wěn)定狀態(tài)后，轉速相對平穩(wěn)于135 r/min。

研究表明，十八扇區(qū)定子磁鏈比十二扇區(qū)定子磁鏈與六扇區(qū)定子磁鏈更加逼近于圓形磁鏈，能夠有效改善定子磁鏈軌跡，定子電流中的5 次和7 次諧波分量比六扇區(qū)磁鏈和十二扇區(qū)磁鏈都明顯減小，而11 次和13 次諧波分量的幅值很小，可以忽略不計。這進一步凸顯了扇區(qū)細分思想的定子磁鏈十八扇區(qū)控制的優(yōu)良性，克服了常規(guī)直接轉矩控制的兩個矢量間快速切換而犧牲系統(tǒng)穩(wěn)定性的缺陷。

3 結 語

本文提出的定子磁鏈十八扇區(qū)細分的SVM -DTC 控制，發(fā)揮了SVM 控制和直接轉矩控制的共同優(yōu)勢，在沒有引入其他測量方式和增加控制系統(tǒng)復雜性的情況下已可以使控制效果充分滿足要求。十八扇區(qū)磁鏈直接轉矩控制既可以減小PMSM 電流諧波、減小轉矩脈動，改善直接轉矩控制系統(tǒng)性能，且功率器件的開關頻率增加不大，可以在工程中得到較好的應用。

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