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1、永磁同步电机直接转矩控制介绍梅妮 张波(华南理工大学电力学院，广州，510640)摘要：永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制己成为目前一个研究热点，它不同于异步电动机直接转矩控 制，也不同于一般同步电动机直接转矩控制，有其明显的控制特点。本文在分析永磁同步电机模型和 直接转矩控制原理基础上，介绍几种智能算法在直接转矩控制调速系统中的应用，展望了PMSM直接转 矩控制今后的研究方向。关键词：直接转矩控制；永磁同步电机；调速系统Direct Torque Control of Permanent Magnet Synclironous Motors IntelligentAlgorithms An
2、alysisMeini, Zhangbo(Power Electric College of SCUT, Guangzhou, 510640)Abstract: At present, direct torque control (DTC) of permanent magnet syncluonous motors (PMSM) has already become a research focus. DTC-PMSM has obvious control characteristics, which is different fiom DTC of asyncluonous motor
3、and also different fiom DTC of general synclironous motor. This paper analyzes the model of PMSM and control theory of DTC, then mtioduces several intelligent control algorithms applied in DTC speed-adjusting system. The reseaich direction of DTC in PMSM in future is expected. Keywords: Direct Torqu
4、e ContioL Permanent Magnet Syncluonous Motor. Speed-adjusting System1引言直接转矩控制是由德国Depenbrock教授和 日本Takahashi教授在20世纪80年代中期针对 异步电机的控制分别提出U -h它具有以下方面 的特点：直接在定子坐标系下分析交流电动 机的数学模型、控制电机的磁链和转矩，无需为 解耦而简化数学模型，省掉了矢量旋转变换等复 杂的变换和计算：使用空间矢量的概念来分析 三相交流电动机的数学模型和控制其物理量，从 而使问题变得简单明了：直接转矩控制磁场定 向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以 对定子磁链
5、进行观测，大大减少了矢量控制中控 制性能易受参数变化影响的问题；强调的是转 矩直接控制和效果，主要包括两层含义：直接控 制转矩和对转矩的直接控制。近年来，永磁同步电机(PMSM)以其结构简 单、体积小、重量轻、高转矩/惯性比、高效率等 优点，在数控机床、工业机器人以及航空航天等 领域得到口益广泛的应用。国内外有不少学者开 始尝试永磁同步电机直接转矩控制的理论研究Wo随着现代控制技术的发展，现代控制理论的 各种新思想开始应用到永磁同步电机直接转矩控 制系统中。在分析直接转矩控制性能的基础上， 本文综述了最近研究十分活跃的模糊控制、神经 网络控制、滑模变结构控制等在直接转矩控制系 统中的应用。2
6、PMSM直接转矩控制理论概述2.1永磁同步电机模型在文献5中，作者提出了PMSM的直接转矩控 制理论。建立如图1所示的PMSM矢量图，其中dq坐 标系是固定在转子上的旋转坐标系，刈坐标系是 固定在定子上的旋转坐标系。PMSM具有正弦形的 反电势波形，其定子电压、电流也应为正弦波。 假设电动机是线性的，参数不随温度的变化而变 化，忽略磁滞、涡流损耗，且转子无阻尼绕组， 那么可以导出在定子旋转dq坐标系下永磁同步 电机的电磁转矩方程为：由于永磁同步电机转子磁场恒定，所以转子磁 链幅值恒定，当定子磁链幅值保持恒定时，转 矩变化的表达式为： =罗? / 项 cosJ-2阻-% )6 cos 珂(2)由
7、上式可知，当定子磁链幅值保持恒定为一 适当的值时，电机的电磁转矩变化正比于定、转 子磁链夹角的变化。在恒定负载、稳态运行时， 定、转子磁链都以同步速旋转，此时转矩角$为 恒定值；瞬态时，3则因定、转子旋转速度的不 同而不断改变。因此通过对逆变器开关状态的适 当选择，保持定子磁链幅值近似恒定，控制定子 磁链空间矢量旋转速度，即快速改变定、转子问 的磁链夹角，就能控制永磁同步电动机的输出转 矩。图1不同坐标系下电机矢量图Fig. 1 PMSM Vectorgraph in Different Reference Frame2.2控制原理直接转矩控制技术采用空间电压矢量分析法 直接在定子坐标系上计算
8、与控制电机的转矩，应 用定子磁场定向，借助于离散的两点式 (band-band)控制，直接对逆变器的开关状态进 行最佳控制。在直接转矩控制中，电压空间矢量 是一个非常重要的物理量。逆变器的六个工作电 压状态，给出六个不同方向的运动电压空间矢量, 它们周期性的顺序出现，相邻两个矢量之间相差 60 ,电压空间矢量幅值不变。两个零开关状态 给出两个零电压空间矢量，它们位于六边形的中 心。适当的选择电动机的空间电压矢量，可以使 磁链的运动轨迹近似为圆形。电压空间矢量的选 取原则是该矢量能使定子磁链在一个控制周期内 改变尽可能大的角度，即转矩变化最大。直接转矩控制系统原理框图如图2。其整个系 统由磁链闭
9、环和转速/转矩闭环两个控制环组 成。它的工作原理是：控制系统根据电机三相电 流和电压值，利用磁链模型和转矩模型分别实时 估算电机的磁链、转矩大小及电机定子磁链所在 扇区，之后将给定转矩(由速度估算经PI整定调 节输出)和给定磁链分别与实时计算值进行滞环 比较，最后根据比较值的控制要求，合理选择逆 变器的开关矢量，使电机能按控制要求调节输出 转矩，最终达到调速目的。图2 PYSM直接转矩控制系统框图Fig.2 PMSM Direct Torque Control System Frame2.3 PMSM直接转矩控制的弱磁控制随着稀士永磁材料的发展，高性能的永磁材 料应用到电机中，使得永磁电机的抗
10、去磁能力增 强，为电机的高速弱磁运行提供了可能性。永磁 同步电机直接转矩控制系统能够直接控制定子磁 链，因此其弱磁控制变得很容易，且比矢量控制 简单。永磁同步电机的弱磁控制的基本思想是利 用电机直轴电枢反应，使电机的气隙磁场减弱， 达到等效于直接减弱励磁磁场的控制效果。文献 6 首次将内永磁同步电机直接转矩控制拓展到 弱磁范闱，具有对电流母线电压的最大利用和控 制受电机参数影响小等优点。2.4无传感器PMSM直接转矩控制系统速度是实现直接转矩控制的一个重要参数， 为提高系统的控制性能，应采用速度闭环控制， 因此需要检测电机的转速。传统的电机转速检测 装置多采用测速发电机或光电编码器，而这些速
11、度传感器的安装、维护、非线性和低速性能，特 别是测量的精确性直接影响了直接转矩控制的效 果。无传感器技术是目前交流传动的一大发展方 向，实现无速度传感器4以使系统的成本降低、 可靠性高，且适用于一些特殊的应用场合。因此, 越来越多的学者将目光放在无速度传感器控制系 统的开发上。针对凸极永磁同步电机提出了低速 时利用高频信号注入和高速时利用反电动势相结 合来估算永磁同步电机转子位置和速度的方法， 其估算原理简单明了。其仿真结果表明提出的 方法无论在低速还是高速都能有效地估算永磁同 步电机转子位置和速度，能很好地跟踪转子的实 际位置和速度。3先进控制算法在DTC-PMSM的应用直接转矩控制在结构上
12、特别适合于全数字化， 对处理的实时性、快速性要求很高，近年来各种高 性能硬件的推出，为直接转矩控制系统性能的改进 提供了硬件基础，使复杂的控制规律和算法能够得 以快速高效地实现。3.1模糊控制近年来，己有学者将模糊控制技木用在PMSM 的DTC控制中，文献8使用模糊控制器，改进转矩 响应速度和减小转矩脉动;文献9将模糊和神经网 结结合提高系统抗干扰能力和控制精度。文献10 提出了采用模糊PI自适应速度调节器的模糊控制 方法,该方法通过分析经典PI调节器的阶跃响应并 进行优化，而得到模糊自适应PI速度调节器的模糊 控制规则表，对系统的起动速度有一定改善。文11 在模糊控制的基础上，采用分段解析函
13、数取代传统 的模糊控制规则表，并充分考虑零矢量的作用与运 用，实现了系统的实时控制，提高了系统的动态响 应能力，该方法容易实现。文12研究了PMSM模糊DTC控制理论，特别在 模糊控制中加入了零矢量控制，对模糊控制规则进 行了简化。其主要思想是：在异步电机的控制中， 零电压矢量加入可以迅速改变转差频率，使7、为负: 而在PMSM控制中，无转差概念，r只与a有关，当 施加零电压矢量时，5近似不变，r基本保持不变 (略有减小)。因此，可利用零电压矢量来保持转矩 基本不变在模糊控制规则表中，当风 和5很小 时，选择零电压矢量输出，保持转矩和磁链不变， 零矢量选择比选负电压矢量对转矩和磁链产生脉动 小
14、，能较好地抑制转矩脉动。最后通过了仿真实验 与一般DTC控制进行了比较，部分结果如下图3, 4。0.5(a) 一般DTC控制(a) Classic DTC Conuol-0.5 .一 0500.5a/Wb(b)模糊DTC控制(b) Fuzzy DTC Control图3定子磁链轨迹Fig.3 Stator Flux trajectory(a) 一般DTC控制/(a) General DTC Contiol(b)模糊DTC控制(b) Fuzzy DTC Control图4转矩瞬态波形Fig.4 Torque Transient Wave由此，模糊控制技术的应用能减少控制误差和 转矩脉动，提高系统
15、的动态响应能力。模糊控制方 法易于实现，可以用于状态选择器设计、控制器设 计及定子电阻辨识等。3. 2滑模变结构控制滑模控制现被应用到PMSM的观测器设计文15结合滑模控制和神经网络各自的优点，对 永磁同步电机提出了一种基于神经网络的自适应滑 模控制方案。对PMSM系统的位置控制问题提出一种 基于神经网络的自适应滑模控制策略。通过神经网 络的在线学习来实时估计系统的不确定性界限，从 而控制系统在滑动平面上的运动，减弱“抖振”现 象。利用边界层法将控制量在开关点附近连续化， 可以进一步减弱“抖振”现象。文16永磁同步电机滑模变结构直接转矩控制根 据指数趋近律来设计滑模控制器，能改善系统正常运 动
16、段的动态品质：用连续函数替代滑模控制器中的开 关函数，能有效减小高频抖动：采用转矩和磁链两个 滑模控制器替代传统直接转矩控制的滞环调节器，并 用其输出的Q“两相静止坐标系卜的电压实现空间 电压矢量调制，保证了功率变换器开关频率恒定。其 部分仿真和实验结果如下图5, 6。一12时间佑(a)转矩T响应(a) Torque Response(b) Enlaiged Torque response图5传统DTC下转矩给定从5Nm到一5Nm再到5NmI跋变时 转矩响应和转矩局部放大Fig.5 Torque vaiiation from 5N*m to -5Nem and back to 5Nem and the enla
