戴 芳

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001)

基于SVPWM的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制探索

戴 芳

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001)

永磁電機控制系統(tǒng)采用直接轉(zhuǎn)矩控制策略，大大促進了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，基于SVPWM進行轉(zhuǎn)矩控制可以有效改善電流狀態(tài)。由此，筆者基于SVPWM并集合利用Matlab全面對基于直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步電機控制系統(tǒng)進行探索，目的是改善穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)電流，為進一步實驗系統(tǒng)樣機制作提供了一定的理論基礎(chǔ)。

直接轉(zhuǎn)矩控制；永磁同步電動機；SVPWM

一、引言

永磁同步電動機(PMSM)因其高功率密度、高轉(zhuǎn)矩和免維修等原因，廣泛應(yīng)用于高效驅(qū)動領(lǐng)域?？臻g矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)是在一個控制周期內(nèi)，通過相鄰基本電壓矢量和零電壓矢量合成得到所需的任意電壓矢量，實現(xiàn)電壓矢量的線性連續(xù)可調(diào)的技術(shù)。本文運用了一種基于空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制算法，其原理是根據(jù)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的誤差，通過驅(qū)使誤差為零的原則確定參考電壓空間矢量，然后通過SVPWM技術(shù)合成該矢量。本文基于SVPWM對永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制探索。同時對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)的搭建，同時加入空間電壓矢量控制提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和電流，降低轉(zhuǎn)矩脈動，并進行了必要的分析。

二、直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct torque control，簡稱DTC)是一種變頻器控制三相馬達轉(zhuǎn)矩的方式。其作法是依量測到的馬達電壓及電流，去計算馬達磁通和轉(zhuǎn)矩的估測值，而在控制轉(zhuǎn)矩后，也可以控制馬達的速度，直接轉(zhuǎn)矩控制是歐洲ABB公司的專利。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁通用定子電壓積分而得。而轉(zhuǎn)矩是以估測的定子磁通向量和量測到的電流向量外積為估測值。磁通和轉(zhuǎn)矩會和參考值比較，若磁通或轉(zhuǎn)矩和參考值的誤差超過允許值，變頻器中的功率晶體會切換，使磁通或轉(zhuǎn)矩的誤差可以盡快縮小。因此直接轉(zhuǎn)矩控制也可以視為一種磁滯或繼電器式控制。

三、永磁同步電動機及轉(zhuǎn)矩控制

(一)基于SVPWM的永磁同步電機

20世紀(jì)90年代前，由于技術(shù)成本等原因，國內(nèi)伺服電機以直流永磁有刷電機和步進電機為主，而且主要集中在機床和國防軍工行業(yè)。1990年以后，進口永磁交流伺服電機系統(tǒng)逐步進入中國，此期間得益于稀土永磁材料的發(fā)展、電力電子及微電子技術(shù)日新月異的進步，交流伺服電機的驅(qū)動技術(shù)也很快從模擬式過渡到全數(shù)字式。由于交流伺服電機的驅(qū)動裝置采用了先進全數(shù)字式驅(qū)動控制技術(shù)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整方便，產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性可靠性增加，同時可集成復(fù)雜的電機控制算法和智能化控制功能，如增益自動調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)通訊功能等，大大拓展了交流伺服電機的適用領(lǐng)域；另外隨著各行業(yè)，如機床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、激光加工設(shè)備、機器人、自動化生產(chǎn)線等，對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求不斷提高，這些領(lǐng)域?qū)涣魉欧姍C的需求將迅猛增長，交流伺服將逐步替代原有直流有刷伺服電機和步進電機。

正弦波交流伺服系統(tǒng)綜合了伺服電動機、角速度和角位移傳感器的最新成就，與采用新型電力電子器件、專用集成電路和專用控制算法的交流伺服驅(qū)動器相匹配，組成新型高性能機電一體化產(chǎn)品。使原有的直流伺服系統(tǒng)面臨淘汰的危機，成為當(dāng)今世界伺服驅(qū)動的主流及發(fā)展方向。

永磁同步電動機要求輸入定子繞組的電源仍然是三相正弦波形。(PM·SM)無刷直流電動機(BLDCM)，用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動機的定子磁極，將原直流電動機的電樞變?yōu)槎ㄗ?。有刷直流電動機是依靠機械換向器將直流電流轉(zhuǎn)換為近似梯形波的交流電流供給電樞繞組，而無刷直流電動機(BLDCM)是將方波電流(實際上也是梯形波)直接輸入定子。將有刷直流電動機的定子和轉(zhuǎn)子顛倒一下，并采用永磁轉(zhuǎn)子，就可以省去機械換向器和電刷，由此得名無刷直流電動機。BLDCM定子每相感應(yīng)電動勢為梯形波，為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，要求功率逆變器向BLDCM定子輸入三相對稱方波電流，而SPWM、PM、SM定子每相感應(yīng)電動勢為近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子輸入三相對稱正弦波電流。

(二)轉(zhuǎn)矩控制

永磁同步電機的磁場來自電動機的轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵，永久磁鐵的特性在很大程度上決定了電機的特性，目前采用的永磁材料主要有鐵淦氧，鋁鎳鈷，釹鐵硼以及SmCO5 Sm2CO17。在轉(zhuǎn)子上安裝永磁鐵的方式有兩種。一種是將成形永久磁鐵裝在轉(zhuǎn)子表面，即所謂外裝式；另一種是將形成永久磁鐵埋入轉(zhuǎn)子里面，即所謂內(nèi)裝式。永久磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。根據(jù)確定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的每相勵磁磁動勢的分布不同，三相永磁同步電動機可分為兩種類型：正弦波型和方波型永磁同步電機，前者每相勵磁磁動勢分布是正弦波狀，后者每相勵磁磁動勢分布呈方波狀，根據(jù)子路結(jié)構(gòu)和永磁體形狀的不同而不同。

控制原理相似，給定指令信號加到AC伺服系統(tǒng)的輸入端，電動機軸上位置反饋信號與給定位置相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制伺服的運動，直至達到所要求的位置為止。PM、SM和BLDCM二類伺服系統(tǒng)構(gòu)成的基本思路是一致的。兩種永磁無刷電動機比較而言，方波無刷直流電動機具有控制簡單、成本低、檢測裝置簡單、系統(tǒng)實現(xiàn)起來相對容易等優(yōu)點。但是方波無刷直流電動機原理上存在固有缺陷，因電樞中電流和電樞磁勢移動的不連續(xù)性而存在電磁脈動，而這種脈動在高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生噪聲，在中低速又是平穩(wěn)的力矩驅(qū)動的主要障礙。轉(zhuǎn)矩脈動又使得電機速度控制特性惡化，從而限制了由其構(gòu)成的方波無刷直流電動機伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動場合下的應(yīng)用(尤其是在低速直接驅(qū)動場合)。

由于直流伺服電動機存在機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修工作量大包括電刷、換向器等則成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。隨著微處理技術(shù)、大功率電力電子技術(shù)的成熟和電機永磁材料的發(fā)展和成本降低，交流伺服系統(tǒng)得到長足發(fā)展并將逐步取代直流伺服系統(tǒng)。

控制電機運轉(zhuǎn)必須的三根電纜：動力電纜；電機動力線，電機編碼器線?？刂菩盘枺何恢每刂啤?脈沖方向輸入3，4，5，6)；速度控制——(仿真量輸入14，15 0到±10V)

扭矩控制——(模擬量輸入14,15)。其他輔助控制功能：10點輸入：①伺服使能②模式選擇③增益切換④報警清除；6點輸出：①報警(ALM)②準(zhǔn)備(S-RDY)③制動器釋放(BRK-OFF)④零速檢測(ZSP)⑤轉(zhuǎn)矩控制TLC。⑥定位完成或者速度到達。它比步進系統(tǒng)就多了一個編碼器反饋，構(gòu)成了一個死循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)然這個死循環(huán)僅僅是相對而言。伺服系統(tǒng)現(xiàn)在逐漸取代了步進系統(tǒng)，所以大家會逐漸熟悉。

四、結(jié)束語

本文首先分析了空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的基本原理，并提出了基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，實現(xiàn)了電壓矢量的連續(xù)可調(diào)。在MATLAB/Simulink環(huán)境下對系統(tǒng)多種運行狀態(tài)進行了仿真。結(jié)果表明，該控制策略具有快速的動態(tài)響應(yīng)，有效減小了轉(zhuǎn)矩、磁鏈的波動以及電流的畸變，大大改善了永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的穩(wěn)態(tài)性能。

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