一种简单的永磁同步电机直接转矩控制系统电压矢量选择策略
李耀华 李翔 刘卫国
(1西北工业大学自动化学院，陕西西安71 0072；2陕西汉中石门水电站，陕西汉中723003)摘要：分析了电压矢量对永磁同步电机(PMsM)接转矩控制(DTc)的影响，给出了传统开关表控制下不合理转矩脉动出现的原因，并得出了PMsM的DTc系统电压矢量选择区域，但电压矢量选择区域的确定需要连续转子位置信息，从而破坏 DTc尢需传感器的优势。因此，提出一种简单的电压矢量选择策略，其仅需定子磁链位置信息即可实现。仿真结果表明了提出的电J盘矢量选择策略可有效抑制困开关表失效引起的转矩脉动。
关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；电压矢量
0 引 言
直接转矩控制技术具有动态响应好，结构简单，无需坐标变换等优点，****在异步电机领域得到应用。近年来永磁同步电机DTc技术逐渐成为研究的热点。
DTc系统由开关表根据定子磁链和转矩信息通过开关表选择适当的电压矢量实现对定子磁链和转矩的闭环控制，如图1所示。
由于DTc采用滞环比较器实现对磁链和转矩的控制，其本质是一种滞环控制，开关表即为滞环控制规律，对控制效果起着关键作用。
近年来研究发现：根据传统开关表选择的电压矢量对转矩的实际作用在某些运行条件下与开关表期望相反。在异步电机和PMsM的DTc领域中，均出现由于所选择的电压矢量对转矩的实际效果与开关表的期望值相矛盾而引起的不合理转矩脉动。研究表明当转矩角较大时，DTc开关表会出现失效。参考文献[14—17]提出l『通过三相和两相混合连接增加可用电压矢量以优化开关表的方法，但这种方法只能有限抑制转矩脉动，并不能从根本上解决因开关表失效引起的转矩脉动问题。同时，混合导通方式也带来了换相转矩脉动，因此并不是****的解决方案。
因此，研究电压矢量对PIVISM的DTc系统的影响，也是本文的研究重点，并基于此得出了PMSM的DTc系统电压矢量选择区域，给出了一种简化的电压矢量选择策略。
l 电压矢量作用分析忽略定子电阻压降，定子磁链将沿着施加电压矢量的方向运动，如式(1)和图2所示，其中“为所施加电压矢量与定子磁链的夹角，△§为定子磁链角位置的变化。
(90°，270°)之间时，电压矢量减小定子磁链幅值。
忽略转子磁链运动，则定子磁链角位置的变化即为转矩角的变化，如式(5)所示：
图4表明，当施加电压矢量与定子磁链夹角位于(0°，180°)，电压矢量增加转矩角，当施加电压矢量与定子磁链夹角位于(180°360°)时，电压矢量减小转矩角。
定子磁链坐标系下，内置式PMSM转矩方程如式(6)所示：
电压矢量，Uo1为减小定子磁链幅值、增加转矩角和转矩的电压矢量，Uo0为减小定子磁链幅值、转矩角和转矩的电压矢量，uμ为增加定子磁链幅值、减小转矩角和转矩的电压矢量。由图5～14可知，在一定条件下，开关表选择的电压矢量无法满足对转矩的控制要求，此时开关表失效，并出现不合理的转矩脉动。
图5～14表明电压矢量对转矩的增减区域与转矩角的增减区域(见图4)并不一致。施加电压矢量同时改变定子磁链幅值和转矩角，由转矩方程可知，两者的变化都会引起转矩变化。定子磁链幅值始终控制在滞环宽度范同内，转矩动态变化F，转矩角的变化要远大于定子磁链幅值变化，定子磁链幅值变化对转矩的影响可以忽略。但当转矩处于稳态时，转矩角同样处于滞环范围内，此时定子磁链幅值变化对转矩的作用不能忽略：
PMsM的DTc成立的条件并不能使得转矩变化与定子磁链幅值变化一致=因此，当两者变化不一致时，增加定子磁链幅值和转矩角的电压矢量可能会减小转矩，减小定子磁链幅值和转矩角的电压矢量可能会增大转矩；当两者变化一致时，增加定子磁链幅值，减小转矩角的电压矢量可能会增加转矩，而减小定子磁链幅值，增大转矩角的电压矢量可能会减小转矩。
2 电压矢量选择区域由图3～14可得，当转矩角小于90°时，可以定义内置式PMsM的DTc电压矢量选择区域如图15所示。
由图15可知，电压矢量选择区域与定、转子磁链位置有关。因此，电压矢量选择策略的实现需要转子磁链位嚣信息和任意相角的电压矢量，前者可以通过位置传感器得到，后者可以通过空间矢量调制技术实现。
3 电压矢量选择策略由电压矢量选择区域可知，电压矢量选择策略的实现需要位置传感器来得到转子位置信息，这就失去了DTc无需位置传感器的优点。由图2、3、5～14可知，本文给出一种简单的电压矢量选择策略，如式(11)所示：
由式(11)可知，本文提出的电压矢量选择策略仅需定子磁链位置信息。由式(11)得到的电压矢量相角为任意值，逆变器提供的6个非零电压矢量无法满足。本文采用空间矢量调制技术生成所需的电压矢量。
基于本文提出的电压矢量选择策略控制的PIVISM的DTc系统如图16所示。
图16表明基于电压矢量选择策略控制的P]VISM的DTc系统依然采用置换比较器实现对磁链和转矩控制，保持了DTc简单易行的优点，但使用电压矢量选择策略取代了开关表，从而可有效消除因开关表失效引起的转矩脉动。
4 仿真验证
下文给出表面式永磁同步电机(sPMSM)和内置式永磁同步电机(IPMSM)DTc分别采用开关表和电压矢量选择策略控制下的仿真结果。仿真系统是转速开环的连续系统，仿真所用电机参数如下：极对数p=2，定子电阻RS=18．6 n，d轴电感LD=O．388 5 H，q轴电感LQ=O．475 5 H，永磁体磁链ψf=O．447 wb。
定子磁链参考幅值O．489 wb，参考转矩1．545 N·m，对应转矩角75定子磁链幅值滞环宽度为0．02 wb，转矩滞环宽度为O 02 N·m。
采用传统开关表控制和电压矢量选择策略控制仿真结果如图17～20所示。
仿真结果表明开关表可以满足定子磁链控制要求，但当转矩角较大时，其选择的电压矢量无法满足转矩控制要求，从而引发不合理转矩脉动。
本文提出的电压矢量控制策略可消除因开关表引起的不合理转矩脉动，控制效果良好。
5 结 语
本文通过电压矢量对PMSM的DTc控制的影响的研究，给出了PMSM的DTc控制系统电压矢量选择区域，并提出了一种仅需定子磁链位置信息即可实现的电压矢量选择策略。这种控制既保持了DTC结构简单，易于实现。无需转子位置信息的特点。又可有效消除因开关表失效引起的转矩脉动。仿真结果验证了理论分析
