永磁同步电动机直接转矩控制系统的研究

戴丽萍

（富拉尔基区黑化集团造气厂电仪车间，黑龙江 齐齐哈尔 161041）

直接转矩控制（Direct Torque Control，简称DTC）技术是继矢量控制技术之后在交流调速领域出现的一种新型变频调速技术，常规的直接转矩控制具有实现简单、动态响应迅速快和受电机参数变化影响小的优点，能够获得较好的动态性能，但也存在着较大的转矩脉动。针对常规直接转矩控制存在的不足，提出了基于空间电压矢量脉宽调制（Space-voltage Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM）技术的直接转矩控制系统，利用电压空间矢量调制能够使逆变器实现电压空间矢量的连续输出，有效地减小了电流谐波成分，抑制了转矩脉动，同时也大大地提高了直流母线电压的利用率，拓宽了系统的调速范围；同时，为了进一步改善系统的调速性能，速度控制器采用了模糊PI控制策略，进一步提高了系统的动静态特性和抗干扰能力。

1 永磁同步电动机数学模型及控制系统结构

直接转矩控制是交流电动机的一种高性能控制策略，在永磁同步电动机驱动控制中的应用与研究已受到众多学者的广泛关注。为了能够更加透彻地理解这种控制策略在永磁同步电机伺服系统的应用，本章建立了不同坐标系下永磁同步电动机的数学模型并进行了矩角分析。永磁同步电动机具有动态响应快、运行平稳、过载能力强等优点，非常适合在负载转矩变化较大的情况下使用，而且它的效率和功率因数都比较高，在轻载运行时节能效果明显，长期使用可以大幅度节省电能。另外，永磁同步电动机不需要励磁电流，而且体积较之同容量的异步电机小、重量轻、结构多样化，应用范围比较广。

1.1 永磁同步电动机的数学模型

经过适当的坐标变换给出了在dq坐标系下永磁同步电动机的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程，即永磁同步电动机的数学模型：电压方程为

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1.2 永磁同步电动机直接转矩控制系统

直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电机的转矩，采用定子磁场定向，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。基于两点Bang-Bang式直接转矩控制阐述了直接转矩控制下的永磁同步电动机磁链和转矩控制原理。其后给出了基于模糊PI和SVPWM的直接转矩控制系统的原理方框图，并就各个部分进行了详细论述。从整个控制系统来看，直接转

永磁同步电动机直接转矩控制系统，在深入分析了永磁同步电动机数学模型的基础上通过Matlab建立了磁链模块、转矩模块、SVPWM和模糊PI等模块，实现了基于模糊PI调节、SVPWM调制的直接转矩控制系统的闭环仿真平台，并在此基础上进行了大量的仿真研究。通过仿真模型的仿真实验结果，从仿真波形可以看出，采用直接转矩控制策略的永磁同步电机控制系统的转矩和定子磁链脉动小，转速响应速度快，对于负载波动的适应能力强，表明该系统能平稳运行，具有较好动态特性。

3永磁同步电动机直接转矩控制硬件和软件设计

利用DSP来控制各类电机，不仅能方便地实现控制电路，并且能完成各种复杂的、高性能的控制策略。本系统采用TI公司的TMS320F2812是面向电机控制具有特殊设计的DSP，具有高达150MIPS的高速数据处理能力和丰富外设资源，所需的外围电路得到了很大简化，系统成本降低，并具有很高的可靠性，因此在电机的全数字控制系统中得到了广泛的应用。以DSP为核心控制器件的永磁同步电动机直接转矩控制系统框图如图5-1所示，硬件的基本构成主要由控制模块、驱动模块、反馈模块、保护电路以及显示模块等组成。

图2 直接转矩控制系统框图

系统直流电压源由整流桥，电容C1、C2和电阻R3构成。220V正弦交流电经两相不可控整流桥整流，再经电容C1、C2滤波后作为三相逆变桥的直流电压源。电容C1既作为滤波电容滤除电压中的低次谐波，又作为储能电容储存电机绕组续流时回馈的能量。在系统控制器中，DSP TMS320F2812作为核心完成系统的所有运算任务。光电编码器采集的转子位置信号在差分接收后，经光电隔离送人DSP的正交编码引脚，在DSP程序中完成角度和速度运算。通过电流霍尔传感器采集的A、B相电流经滤波、限幅处理后送入DSP的A/D转换引脚。DSP在中断子程序中完成3/2变换、磁链估计和转矩估计等运算，控制信号经SVPWM模块调制后由DSP的PWM引脚输出，经光电隔离后送入驱动电路。

对任何控制系统来说，准确、可靠的软件是系统能够高性能运行的重要保证。该系统的软件部分由DSP的C语言程序实现，主要包括以下几个部分：

（1）转子位置角、转速计算；

（2）电流、电压采样；

（3）3/2变换及2/2逆变换；

（4）磁链估计；

（5）转矩估计；

（6）速度环模糊PI调节；

（7）磁链、转矩PI调节器；

（8）空间电压矢量脉宽调制；

这些模块相互配合组成整个控制系统。

4系统实验及验证

通过对以TMS320F2812为核心的永磁同步电动机直接转矩控制系统的实验测试，实验结果表明，常规DTC具有快速的动态响应性能但是转矩脉动较大；而基于SVPWM和模糊PI的直接转矩控制控制系统具有较快的动态响应特性，又有效地抑制了转矩的脉动，电流波形畸变减小，抗干扰能力强。

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