吳向杰 沈啟超

摘 要：針對混合動(dòng)力工程機(jī)械永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大的缺點(diǎn)，在詳細(xì)分析影響磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大小因素的基礎(chǔ)上，重新建立了基于SVM調(diào)制的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩的控制框圖，在MATLAB/Simulink中對傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制和改進(jìn)后的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方法進(jìn)行了仿真對比研究，結(jié)果表明，新的系統(tǒng)能有效減少轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動(dòng)，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：SVM脈寬調(diào)制;轉(zhuǎn)矩控制;磁連控制;電磁脈動(dòng)

1 概述

電機(jī)控制策略混合動(dòng)力工程機(jī)械最為重要的組成之一，它直接影響整機(jī)的安全性、速度、作業(yè)效率和能源消耗。本文研究的混合動(dòng)力電力驅(qū)動(dòng)單元集牽引、制動(dòng)、變速功能為一體，滿足不同狀況下的運(yùn)行要求，是混合動(dòng)力牽引部分的核心部件，直接影響到整機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。因此對永磁同步電機(jī)控制策略進(jìn)行研究具有重要的意義。

永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制以其控制方式簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。直接轉(zhuǎn)矩控制法是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子交流坐標(biāo)系下分析感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、估算定子磁鏈和輸出轉(zhuǎn)矩，采用離散的滯環(huán)比較器，把輸出轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈大小的波動(dòng)限制到允許的合理范圍內(nèi)，并直接對逆變器的開關(guān)進(jìn)行控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。

雖然直接轉(zhuǎn)矩控制具有控制簡單，響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)，但是直接轉(zhuǎn)矩控制法在實(shí)施電磁轉(zhuǎn)矩及磁鏈滯環(huán)控制時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩不可避免地存在脈動(dòng)，會(huì)直接影響電機(jī)低速運(yùn)行的平穩(wěn)性和調(diào)速范圍。但是在高精確度、高性能PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，對于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有很高的要求，因此很多人在減少DTC控制的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面都進(jìn)行了積極研究。減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最直接的方法就是將六邊形定子磁鏈軌跡進(jìn)行細(xì)分，使之更接近圓形，從而減小輸出轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，但這樣會(huì)增加開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)使硬件的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜和成本也增加。因此，改進(jìn)控制策略就變的更加重要，文獻(xiàn)提出了一種基于離散定子電流和磁鏈的無差直接轉(zhuǎn)矩控制;文獻(xiàn)采用空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)，利用相鄰電壓空間矢量和零電壓矢量進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁鏈誤差的精確補(bǔ)償，進(jìn)而達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)目的，實(shí)現(xiàn)對磁鏈工作扇區(qū)的判別以及對電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)中復(fù)雜的數(shù)學(xué)和邏輯計(jì)算。本文針對永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)進(jìn)行了分析，結(jié)合電機(jī)模型提出了一種基于SVPWM占空比調(diào)制的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制。在直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)SVPWM控制的矢量原理對磁鏈作用的時(shí)間進(jìn)行控制，分析表明， 該方法相對于傳統(tǒng)控制方法可對磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行更準(zhǔn)確的控制，降低磁鏈與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，定子磁鏈的動(dòng)態(tài)控制無需電流控制器，開關(guān)頻率恒定，不必依賴于電機(jī)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其有效性。

2 傳統(tǒng)的PMSM的DTC控制

2.1永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)電壓模型：

[ （1）]

磁鏈方程：

[（2）]

轉(zhuǎn)矩方程簡明的形式：

（3）

式中：ud、uq、id、iq為d、q坐標(biāo)系下的定子電壓、電流;d和q為d、q坐標(biāo)下的定子繞組磁鏈;Ld和Lq為d、q坐標(biāo)下的定子繞組電感;ωe為轉(zhuǎn)子的電角速度;p為永磁體極對數(shù)，ωm為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度;f為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈，θ定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，即磁通角;μ定子磁鏈;r轉(zhuǎn)子磁鏈。

從式（3）可以看出，轉(zhuǎn)矩的大小與、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值、定子磁鏈幅值和磁通角θ正切值的積成正比。實(shí)際操作中，為充分利用電動(dòng)機(jī)鐵心，保持定子磁鏈幅值為額定值;轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值由負(fù)載決定;我們可以通過改變磁通角θ來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。

2.2 電樞磁鏈和輸出轉(zhuǎn)矩的估算

用定子電壓和定子電流來確定定子磁鏈的方法叫u-i模型法：

（4）

u-i模型法只有在us（t）-is（t）Rs的值較大時(shí)才能提供正確的結(jié)果。其誤差主要取決于電阻Rs，基于這個(gè)原因，u-i模型在30%額定轉(zhuǎn)速以下，特別是在10%額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，無法準(zhǔn)確地確定定子磁鏈。

為了獲得電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，需要知道電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值。同電樞磁鏈一樣，因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩不易直接檢測，我們可以根據(jù)電樞磁鏈、電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，通過下式來計(jì)算當(dāng)前的電磁轉(zhuǎn)矩：

（5）

2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制框圖

直接轉(zhuǎn)矩控制的控制方法就是通過電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而改變磁通角的大小，從而可以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的方框圖如下圖1所示。由于電樞磁鏈和輸出轉(zhuǎn)矩通常都不會(huì)直接檢測到，因此用于計(jì)算和的電樞磁鏈大小和輸出轉(zhuǎn)矩采用估算值。轉(zhuǎn)矩給定值Te*與估計(jì)轉(zhuǎn)矩Te相對比，經(jīng)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器得到轉(zhuǎn)矩控制信號ΔT;定子磁鏈

|a|*與估計(jì)磁鏈 a相對比，經(jīng)磁鏈值換比較器得到磁鏈控制信號;由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制信號結(jié)合定子磁鏈的當(dāng)前位置信號，根據(jù)開關(guān)電壓矢量查詢表，可以確定出當(dāng)前相對最佳控件電壓矢量，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)PMSM。

3 PMSM SVM DTC

3.1 磁鏈控制性能

將方程（4）離散化以后得

（6）

Ts為采樣周期，磁通的波動(dòng)范圍是一個(gè)與采樣周期成正比的量。采樣周期越短，磁通的波動(dòng)范圍就會(huì)越小。一個(gè)周期內(nèi)定子磁鏈的增量：

（7）

由上式表明，當(dāng)縮小采樣周期時(shí)，磁通波動(dòng)還可以進(jìn)一步減小。磁通控制的越好，電流諧波就會(huì)越小，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)也會(huì)減小。假定消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)所需的定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽?D：＼123456＼中小企業(yè)管理與科技·下旬刊201510＼1-297＼36-8.jpg>滿足

（8）

一個(gè)周期參考電壓作用時(shí)間

（9）

通過合理設(shè)計(jì)參考電壓矢量和采樣周期，滿足上式，且有

（10）

由上式可以看出，控制us的作用時(shí)間ts可以實(shí)現(xiàn)磁通控制，從而電流諧波和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。

圖1 ?直接轉(zhuǎn)矩控制

3.2 轉(zhuǎn)矩控制性能

對式（3）對時(shí)間求導(dǎo)，進(jìn)行離散化處理：

（11）

永磁同步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的增量dTd與磁通角θ、磁通角增量dθ有關(guān)系，而與轉(zhuǎn)子空間位置和轉(zhuǎn)速無關(guān)。

3.3 t1、t2和t3的計(jì)算

線性時(shí)間組合的電壓空間矢量Uout是t1/TPWM倍的Ux與t2/TPWM倍的Ux±60的矢量和，即

（12）

根據(jù)三角形的正弦定理有

（13）

（14）

由式（13）和式（14）得

（15）

（16）

式（15）中，TPWM可預(yù)先選定;Uout由U/F曲線確定;θ可由輸出正弦電壓角頻率ω和nTPWM的乘積計(jì)算。因此，當(dāng)已知兩相鄰的基本電壓矢量Ux和Ux±60后，t1和t2就可以確定。

t1和t2還有另一種確定方法。當(dāng)Uout、Ux和Ux±60投影到平面直角坐標(biāo)系Oαβ中時(shí)，是可以寫成

（17）

當(dāng)一只矩陣和Uout在平面直角坐標(biāo)系Oαβ的投影后，t1和t2也可以確定。

另外，當(dāng)逆變器單獨(dú)輸出零矢量0000和時(shí)0111，電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶?D：＼123456＼中小企業(yè)管理與科技·下旬刊201510＼1-297＼36-3.jpg>是恒定的。據(jù)此，在TPWM加入零矢量作用的時(shí)間t0，使

TPWM=t1+t2+t0（18）

3.4 SVM DTC 控制框圖

對于永磁同步電機(jī)，當(dāng)忽略點(diǎn)數(shù)繞組電阻時(shí)，電樞電壓的積分就是定子磁鏈。與各相繞組鉸鏈的磁鏈在空間上的合成就是空間磁鏈?zhǔn)噶?。而根?jù)空間電壓矢量可以得到空間磁鏈?zhǔn)噶?。要使交流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，必須使空間磁鏈?zhǔn)噶科交匦D(zhuǎn)。不同時(shí)刻的空間磁鏈?zhǔn)噶繕?gòu)成一個(gè)圓。SVPWM方式就是通過逆變器的不同開關(guān)模式的組合，得到圓形空間磁鏈?zhǔn)噶寇壽E的PWM方式。由于交替使用不同的空間電壓矢量，因此叫做空間矢量脈寬調(diào)制，也叫做瞬時(shí)空間磁鏈?zhǔn)噶繄A軌跡法。

根據(jù)參考定子磁鏈?zhǔn)噶亢彤?dāng)前估算的定子磁鏈?zhǔn)噶縼泶_定系統(tǒng)中預(yù)期的電壓矢量，該電壓矢量通過SVM技術(shù)表示成2個(gè)相鄰非零電壓矢量和零電壓矢量的優(yōu)化線性組合，并以它能逼近預(yù)期電壓矢量為目標(biāo)來確定這3個(gè)開關(guān)電壓矢量各自作用的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確平滑控制，從而降低磁鏈、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這就是SVM DTC，系統(tǒng)框圖見圖2。同直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)相比主要是采用了轉(zhuǎn)矩控制器和參考定子磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算模塊代替轉(zhuǎn)矩滯流環(huán)比較器和磁鏈環(huán)比較器;當(dāng)前所需預(yù)期電壓矢量融合了SVM技術(shù)，取代了開關(guān)電壓矢量選擇表。

圖2 ?基于SVM脈寬調(diào)制永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

4 仿真結(jié)果

基于上述分析，在Matlab/simulink中分別建立永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)和改進(jìn)方案后的仿真分析。電機(jī)的參數(shù)：Ld=2.0mH，Lq=2.0mH，Rd=0.435Ω，Rq=0.816Ω，p=2，J=0.089kg·m2。拖動(dòng)系統(tǒng)中系統(tǒng)仿真時(shí)間是從0～20s，仿真的步長為2μs。電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩11N·m作用下，T=0～10s時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm，此時(shí)電機(jī)作電動(dòng)機(jī)用;T=10～20s時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為負(fù)1500rpm，此時(shí)電機(jī)做發(fā)電機(jī)用。圖3和圖4是電機(jī)在兩種控制下的轉(zhuǎn)矩與磁鏈仿真結(jié)果圖。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，與傳統(tǒng)DTC相比，采用控制后，磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都明顯減小。

5 實(shí)驗(yàn)研究

基于超級電容的電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)能量儲(chǔ)存裝置控制系統(tǒng)組成如圖5所示，主要包括能量回饋系統(tǒng)，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)（采用DSP控制器）和混合供電電源?；旌瞎╇婋娫矗ǔ夒娙萁M和外接380V交流電，作為整個(gè)裝置能量來源;能量回饋系統(tǒng)，包括與超級電容連接的DC/DC交換器和檢測系統(tǒng)，DC/DC交換器構(gòu)成了超級電容組的充放電回路，檢測系統(tǒng)監(jiān)測超級電容的電壓和電流，保證超級電容正常工作，用于超級電容組的充放電和安全監(jiān)測;電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，主要包括變頻器和永磁同步電機(jī)，變頻器將電源的能量轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)需要的電能，從而保證電機(jī)根據(jù)操作指令運(yùn)行;控制系統(tǒng)，包括超級電容充放電控制裝置（采用雙PI控制方法）和永磁同步電機(jī)控制器（采用空間矢量控制方法），控制系統(tǒng)保證能量回收卷揚(yáng)機(jī)能根據(jù)不同工況自動(dòng)切換電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和超級電容的工作方式。圖6為基于SVM調(diào)試的直接轉(zhuǎn)矩控制策略的卷揚(yáng)機(jī)能量回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 ?卷揚(yáng)機(jī)能量回收實(shí)驗(yàn)框圖

（a）電機(jī)轉(zhuǎn)速

（b）直流母線電壓

（c）超級電容電流

（d）超級電容電壓

圖6 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

本文提出了一種新的直接轉(zhuǎn)矩控制控制方案，在直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合SVM控制的矢量原理，對磁鏈作用的時(shí)間進(jìn)行控制，該方法相對于傳統(tǒng)直接控制轉(zhuǎn)矩法對轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制更準(zhǔn)確，能有效降低磁鏈與轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，定子磁鏈的動(dòng)態(tài)控制亦無需電流控制器，開關(guān)頻率更恒定，不依賴于電機(jī)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制方法能夠減小傳統(tǒng)DCT中磁連和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。

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作者簡介：

吳向杰，生于1978年10月，漢族，2011年畢業(yè)于洛陽工學(xué)院汽車與拖拉機(jī)專業(yè)，武漢理工碩士在讀，現(xiàn)在鄭州日產(chǎn)汽車技術(shù)中心從事汽車底盤設(shè)計(jì)。