基于固定矢量作用时间的新型直接转矩控制系统

    徐艳平¹，钟彦儒¹，于宏全²

(1西安理工大学，陕西西安710048；2中兴通讯股份有限公司，陕西西安710065)

摘要：永磁同步电动机传统直接转矩控制具有转矩脉动大、开关频率不恒定等缺点，在分析传统直接转矩控制中磁链和转矩脉动的基础上，利用固定矢量作用时间合成新矢量的新型直接转矩控制方法控制永磁同步电动机。该方法根据转矩和磁链误差来选择基本电压矢量对，根据磁链的位置和转矩误差的大来确定所选择的基本电压矢量的作用时间，从而得到了新的合成电压矢量进行控制。仿真结果表明基于固定矢量作用时间的新型直接转矩控制方法能够有效减小传统直接转矩控制方法中的磁链和转矩脉动，同时不增加控制的复杂性，明显改善了系统的控制性能。

    关键词：直接转矩控制；永磁同步电动机；转矩脉动；电压矢量

    中图分类号：TM341  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2010)04—0059—03

0引  言    

    永磁同步电动机具有高功率密度和高转矩惯性比，因此广泛应用于高性能驱动系统中^[1]。永磁同步电动机的控制方式主要采用矢量控制和直接转矩控制。与矢量控制相比，直接转矩控制具有控制方式简单、转矩响应快、便于实现全数字化的优点^[2]。但是直接转矩控制也具有转矩脉动大、开关频率不恒定等缺点，因此许多学者提出了一些改进方法，如利用离散空间矢量方法^[3]、空间矢量调制方法^[4-5]、占空比控制方法^[6]等，以改进传统直接转矩控制方法中的这些缺点。

    本文分析了永磁同步电动机传统直接转矩控制中的磁链和转矩脉动的影响因素，详细介绍了以相邻基本电压矢量利用固定矢量作用时间合成新矢量的永磁同步电动机新型直接转矩控制方法，并用Matlab仿真软件对该控制方法进行了仿真，仿真结果表明所采用的方法可以有效地减小传统直接转矩控制中的转矩和磁链脉动。

1传统直接转矩控制中的磁链和转矩脉动分析

    在永磁同步电动机传统直接转矩控制中，磁链和转矩的控制是采用磁链和转矩滞环控制器来实现的。在逆变器的各个开关周期中，所选择的电压矢量一直作用于电机，磁链和转矩始终沿着一个方向变化，由于采用滞环控制，当磁链值由小变大达到给定值时，电压矢量仍然继续作用，直到磁链值和磁链额定值的误差达到磁链滞环宽度，才改变电压矢量，并且只有当本次控制周期结束时，逆变器才真正改变开关状态，转矩的控制方式也是如此，因此磁链和转矩脉动会超出所设定的容差范围。下面就磁链和转矩脉动做一简要分析。   

1．1磁链脉动  

    直接转矩控制中，定子电压与磁链的关系式：

式中：us为定子电压is为定子电流；Ψs为定子磁链；Rｓ为永磁同步电动机定子电阻。式(1)离散化后可以写成：

式中：Ｔｓ为采样时间。在一个采样时间内磁链的变化值：

式(3)说明减小采样周期，磁链变化值就会减小，同时，如果能够合理控制一个采样周期内作用于电机的电压值，那么同样可以减小磁链脉动。

1．2转矩脉动

    永磁同步电动机的转矩计算式：

式中：机为永磁电机的转子磁链；p为电机极对数；Ｌｄ、Ｌq为电感的d、q轴分量；δ为定转子磁链之间的夹角。当Ψs恒定不变踺．对式(4)插直于δ求微分．可得

当转矩变化很小时，有：

在电机运行过程中，若磁链变化△Ψs，负载角δ也会变化，如图1所示，动态情况下，负载角δ图1定子磁链动态变化图