導(dǎo)讀：本期對(duì)基于SVPWM的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行全面的分析和仿真搭建。之后與傳統(tǒng)的DTC進(jìn)行比較，凸顯基于SVPWM改進(jìn)的DTC方法的有效性。

一、 傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)存在的問題

傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，通過滯環(huán)比較器在開關(guān)表中選擇合適的電壓空間矢量來控制逆變器的輸出。控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有 ：

(1)省去了復(fù)雜的坐標(biāo)變換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。

(2)轉(zhuǎn)矩能快速響應(yīng)電機(jī)參數(shù)的變化。

(3)控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的參數(shù)依賴性小，系統(tǒng)魯棒性好。

但是由于滯環(huán)比較器的使用，定子磁鏈觀測的準(zhǔn)確性及離散的空間電壓矢量等因素致使直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在實(shí)際使用中存在如下問題：

(1) 低速狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大；

(2) 控制系統(tǒng)采用滯環(huán)比較器，無法適應(yīng)先進(jìn)的控制理論；

(3) 穩(wěn)態(tài)時(shí)，定子電流含有的諧波比重大，導(dǎo)致定子磁鏈軌跡發(fā)生畸變；

(4) 開關(guān)頻率不固定，電壓利用率低；

從理論上分析這些問題發(fā)生的主要原因如下：

1. 滯環(huán)控制器帶來的影響

傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制是通過設(shè)置滯環(huán)比較器的容差大小來控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩的，所以定子磁鏈的畸變和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)都受到滯環(huán)比較器容差范圍的影響。滯環(huán)比較器的輸出只是一個(gè)“0”或“1”比較結(jié)果，而并不能以一個(gè)數(shù)值來說明大小的范圍。如果滯環(huán)比較器的容差設(shè)置太大，那么必然會(huì)引起磁鏈畸變和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。如果滯環(huán)控制器的容差設(shè)置太小，由于轉(zhuǎn)矩和磁鏈的慣性，實(shí)際上磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差都會(huì)不可避免的超出容差范圍，此時(shí)控制器為使偏差迅速減小，會(huì)輸出相反方向的控制信號(hào)，但這種動(dòng)作會(huì)帶來較大的瞬時(shí)脈動(dòng)。如果磁鏈和轉(zhuǎn)矩偏差恰好處于容差之內(nèi)時(shí)，滯環(huán)比較器這時(shí)并不對(duì)其控制，所以轉(zhuǎn)矩或磁鏈值也會(huì)一直在容差范圍內(nèi)波動(dòng)。所以，控制系統(tǒng)中只要使用滯環(huán)比較器，磁鏈的畸變和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)就無法消除。

2. 有限的電壓空間矢量帶來的影響（只考慮了誤差大小而沒有考慮方向）

傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中通過查表選擇空間電壓矢量來控制異步電機(jī)，這種控制方法雖然簡單，但是卻有缺陷。由于系統(tǒng)中可用的空間電壓矢量數(shù)量有限，兩電壓矢量之間的切換不連續(xù)，而要用這些離散的電壓矢量對(duì)連續(xù)的磁鏈軌跡進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣就一定會(huì)導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)選擇的電壓矢量大小和方向都是固定的，只能對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行大小調(diào)節(jié)，但是并沒有具體的調(diào)節(jié)數(shù)值。因此，這種開關(guān)表選擇原則十分粗略，不能精確地控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈。

3. 定子磁鏈的觀測帶來的影響

直接轉(zhuǎn)矩控制需要對(duì)定子磁鏈的幅值和磁鏈的相位進(jìn)行實(shí)時(shí)地測定，目前由于磁鏈的直接觀測較為復(fù)雜，根據(jù)異步電機(jī)的磁鏈方程，可以通過測量定子電壓、定子電流以及轉(zhuǎn)速等信號(hào)來間接地估計(jì)出定子磁鏈的大小。定子磁鏈的觀測，需要建立磁鏈觀測模型，在第二章中我們介紹過三種磁鏈觀測模型，經(jīng)過分析，其各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是都不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的磁鏈觀測。轉(zhuǎn)矩的計(jì)算和磁鏈扇區(qū)的判斷都受磁鏈觀測的準(zhǔn)確性的影響，磁鏈觀測失誤，會(huì)造成電機(jī)失控。因此，定子磁鏈的觀測是直接轉(zhuǎn)矩控制的一個(gè)難點(diǎn)，也是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。

影響直接轉(zhuǎn)矩控制性能的因素不止以上分析的這三方面，導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測不準(zhǔn)還有逆變器的死區(qū)效應(yīng)，定子電阻值的準(zhǔn)確測定等等，這些因素都會(huì)影響系統(tǒng)控制的性能，在此就不一一贅述。

二、永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的改進(jìn)

經(jīng)過對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)缺陷的分析我們知道，要想改善這種缺陷就要從克服系統(tǒng)中滯環(huán)比較器的影響，調(diào)制出更多的空間電壓矢量對(duì)磁鏈進(jìn)行連續(xù)平滑的控制，保證開關(guān)頻率固定這幾方面入手。國內(nèi)外許多學(xué)者從不同角度提出了許多改進(jìn)方法。如美國學(xué)者 Habetler 提出的無差拍控制技術(shù)，其控制思路就是在一個(gè)控制周期內(nèi)根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差計(jì)算出能使誤差為零的定子電壓矢量，并在下一個(gè)控制周期中使用 SVPWM技術(shù)將其合成來實(shí)現(xiàn)控制。無差拍技術(shù)是解決直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)缺陷的一個(gè)很好的方案，但是需要龐大的計(jì)算量，所以難以實(shí)現(xiàn)。但是在借鑒無差拍技術(shù)的基礎(chǔ)上，我們提出基于空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方法的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，基本思想就是通過上一個(gè)周期反饋的磁鏈和轉(zhuǎn)矩與給定值進(jìn)行比較，由比較結(jié)果得出下一個(gè)控制周期內(nèi)所期望的電壓矢量，然后利用空間矢量脈寬調(diào)制方法來合成該預(yù)期的電壓矢量來進(jìn)行控制。

圖1為基于SVPWM的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(SVPWM-DTC)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 SVPWM—DTC系統(tǒng)框圖

在改進(jìn)后的控制系統(tǒng)中，將滯環(huán)比較器替換為控制性能更為卓越的PI 控制器，SVPWM 模塊可以根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩偏差的大小和方向，實(shí)時(shí)精確的調(diào)制出任意的改變磁鏈和轉(zhuǎn)矩所需的電壓空間矢量，實(shí)現(xiàn)磁鏈的平滑調(diào)節(jié)，而不受開關(guān)表中空間電壓矢量數(shù)量的限制。該方案能使逆變器開關(guān)頻率恒定，從而可以大大降低轉(zhuǎn)矩、磁鏈的脈動(dòng)。

該系統(tǒng)采用的是一種先進(jìn)的脈寬調(diào)制策略，將逆變器和異步電機(jī)看做一個(gè)整體來控制，控制系統(tǒng)具有直流電壓利用率高、算法簡單、諧波損耗及噪聲低等特點(diǎn)，將先進(jìn)的控制理應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，大大提高了系統(tǒng)的性能。

2.1 SVPWM 調(diào)制算法

(1) 期望電壓ref U 的生成

下一個(gè)周期所需期望電壓矢量的生成需要讓定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩在上一個(gè)周期內(nèi)都能跟蹤期望值，從而利用其與期望值的偏差控制下一個(gè)周期內(nèi)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的大小。

圖2期望電壓矢量的生成

(2) 扇區(qū)判斷

關(guān)于SVPWM的部分，可以看公眾號(hào)往期關(guān)于SVPWM的文章。

(3) 仿真模型搭建

圖3 基于SVPWM的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真模型

圖3中仿真，最難的部分就是參考電壓矢量模塊的搭建，模塊如下：

圖4 參考電壓矢量模塊搭建

轉(zhuǎn)矩偏差、定子磁鏈參考值、定子磁鏈所處角度、定子磁鏈實(shí)際值及兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電流為電壓控制器的輸入，其輸出為期望電壓矢量在兩相靜止坐標(biāo)系下的兩個(gè)分量。

三、仿真波形

圖4 波形變化情況

四、總結(jié)

本文對(duì)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)調(diào)速性能的缺陷和不足進(jìn)行了理論分析，提出了基于空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了SVPWM 的調(diào)制原理和調(diào)制算法，其主要采用預(yù)測的思想合成系統(tǒng)控制所需的期望電壓矢量。最后，通過simulink 仿真軟件建立了SVPWM 仿真模塊，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。

理論分析表明，基于SVPWM的永磁同步電機(jī)改進(jìn)的DTC能夠保持電機(jī)定子磁鏈幅值恒定，觀測準(zhǔn)確，磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡接近圓形，磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制平滑，能有效解決傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)存在的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)較大，開關(guān)頻率不恒定等問題。

審核編輯：湯梓紅