基于空间矢量调制的永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制

柳 凌，钱祥忠

(温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

基于空间矢量调制的永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制

柳 凌，钱祥忠

(温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

提出一种基于空间矢量调制的永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制策略，并将能实现电机转速辨识的模型参考自适应方法应用于控制中，利用Matlab / Simulink对控制系统进行了仿真研究，同时对该永磁同步电机进行SVM-DTC方法的实验．仿真和实验结果表明，该策略具有良好的稳态和动态性能，能快速动态响应，有效减小转矩和电流的脉动，提高系统的控制性能．

空间矢量调制；直接转矩控制；永磁同步电机；无速度传感器控制；模型参考自适应

在永磁同步电机（PMSM）的常规直接转矩控制（DTC）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，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，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，这将会导致系统转矩脉动增大，低速时定子磁链难以准确观测，从而使系统低速性能难以提高[1-3]．为了克服上述缺点，较为理想的办法是对输出的定子电压矢量进行调制（SVM），在不改变系统硬件结构的条件下获得更多的、连续变化的电压空间矢量，进而实现对电机磁链、转矩更准确的控制[4-5]．为了提高直接转矩控制的性能，要求准确确定转子的速度和位置，而速度传感器的安装又容易使系统的可靠性降低、成本增加，因此，通常是根据模型参考自适应（MRAS）理论[6-7]，采用无速度传感器的系统，利用检测到的电机电压、电流和数学模型来估算转子的位置和转速．本文将SVM策略引入PMSM DTC系统中，以期在不增加系统硬件复杂性的条件下改善系统的稳态性能，并保持其优异的动态性能．仿真和实验结果验证了本文提出的SVM-DTC策略的正确性和可行性．

1 无速度传感器的PMSM直接转矩控制系统

永磁同步电机PMSM具有体积小、重量轻、维护简单及效率高等优点．高性能永磁同步电机控制系统通常需要在电机轴上安装传感器（如编码器等），以提供电机控制所需要的转子位置和速度信号，但安装传感器会增加系统成本，增大电机的尺寸和转动惯量，降低系统的可靠性，同时也会限制传动系统在一些特殊场合的推广应用，因此，无传感器化将成为高性能永磁同步电机控制系统的发展方向．

PMSM的数学模型及其直接转矩控制的工作原理：在同步旋转的d-q坐标中，面装式PMSM的电压方程和转矩方程为：

2 基于MRAS理论的转子位置和速度估算

目前，永磁同步电动机无位置传感器位置估算的方法主要有基于数学模型的直接估算法、模型参考自适应估算法和基于观测器的估算法等．直接估算法和基于观测器的估算法都依赖电机参数，而电机参数在运行过程中变化较大，会影响估算的准确性．参考自适应方法的主要思想是，将不含未知参数的方程作为参考模型，将含有待估计参数的方程作为可调模型，两个模型具有相同物理意义的输出量，利用两个模型输出量的误差加上合适的自适应律来实时调节可调模型的参数，以达到参数辨识的目的．由于模型参考自适应系统的计算量不大，相对容易实现，具有较快的自适应速度，能够应用在多种情况下，因而具有很高的工程应用价值．本文将采用模型参考自适应方法，对直接转矩控制系统中的PMSM的定子电阻和转速进行辨识．

基于MRAS的PMSM DTC控制系统如图1所示．

图1 基于MRAS的PMSM DTC控制系统框图

3 基于空间矢量调制的直接转矩控制技术

空间矢量调制（SVM）策略是利用逆变器固有的基本电压空间矢量合成所需的电压空间矢量，在一个控制周期内选择相邻两个非零电压矢量和零电压矢量，计算每个电压矢量的作用时间，从而合成所需的电压空间矢量[2-5]．空间矢量调制的目标就是计算出合适的电压矢量及其作用时间，控制电机定子磁链在指定的时间内运动到给定位置．考虑到三相绕组三相导通状态，逆变器的开关模式只有6个基本定子电压和2个非零矢量，共8种，电压空间矢量调制就是通过这些基本电压矢量将复平面划分为6个扇区，对于任意定子电压空间矢量Vs，在给定的PWM周期Ts，都可以由 2个相邻的基本电压矢量合成，且分量的大小、作用时间与 Vs和分量之间的夹角相关．若Vs在区间N内，与基本电压矢量VN的夹角为θ，则相邻的两个电压矢量VN、VN+1和零矢量V0、V7的作用时间分别为：

其中，T1、T2、T0、T7分别为电压矢量VN、VN+1、V0、V7的对应作用时间，Vsα、Vsβ分别为Vs在α、β轴的分量值，Vdc为直流母线电压．根据转矩误差和定子磁链误差，借助空间电压矢量调制原理，实时合成一个最佳电压矢量作用于电机，使电机的转矩和定子磁链误差恰好得到补偿，从而减小电机的转矩和磁链脉动，实现逆变器的开关频率恒定．基于空间矢量调制和MRAS的无速度传感器PMSM SVM-DTC系统如图2所示，其中的参考磁链计算模型单元、SVM单元，基于MRAS的速度估算单元分别代替了传统DTC中的磁链和转矩的滞环比较器、开关表和速度传感器．在图2中，转矩参考分量由参考速度和估算速度之差的PI调节器实现，估算速度可以通过直流母线电压Ud和三相定子电流的MRAS方法获得[6-7]．

图2 基于MRAS的PMSM SVM-DTC控制系统框图

4 系统仿真和实验结果

对一台隐极式永磁同步电机进行仿真和实验．

图3 无速度传感器PMSM SVM-DTC系统的仿真模型图

在Matlab / Simulink环境下进行仿真的模型如图3．电机参数：额定转速2 000 r / min，额定电流6.3 A，额定电压128 V，额定功率1 kW，电机极对数3，定子电阻4.1 Ω，直轴电感19.2 mH．在仿真过程中，SVM-DTC采样周期均采用200 μs．在给定负载为1.5 N∙m、给定速度在0.1 s处由0 r / min突然增加到1 000 r / min时，对基于SVM的永磁同步电机直接转矩控制进行仿真的转矩响应曲线见图4．图4也给出了常规DTC控制的速度和转矩仿真曲线．

图4 SVM-DTC控制和常规DTC控制的速度和转矩仿真曲线

因为常规DTC在每个采样周期只能选择有限的6个基本空间电压矢量来控制磁链，所以比较粗糙．SVM-DTC控制由于零矢量的存在，能组合成任意的线性组合的空间电压矢量来控制磁链运动，控制更加精确和细腻．正是因为这样，SVM-DTC控制的转矩才会明显优于常规DTC．仿真分析表明，SVM-DTC控制转矩脉动较小，启动时虽然有一个比较大的脉动，但是能够很快地恢复，而且速度响应更稳定，无论是静态效果还是动态效果都优于常规DTC控制，仿真结果也验证了该方法的正确性．

本文设计的基于TMS320F2812 DSP的无传感器PMSM控制系统主要由PC机与仿真器、DSP控制板、功率驱动板、永磁同步电机等4个部分组成．PC机在调试过程中经仿真器与DSP开发板连接，负责软件模块的编写、程序载入和程序调试工作；DSP控制部分通过ADC对电流进行采样处理，通过模型参考自适应估算电机的位置和转速，进行矢量控制生成PWM控制信号；功率驱动板具有强弱电隔离、驱动及功率模块，有保护逻辑生成、电流采样等功能，其中的核心部分是向 PMSM提供驱动电压的逆变器．在这样的实验系统上进行实验测试（实验测试时的参数与仿真时的基本一样），并与常规DTC的测试结果[8]进行对比，结果见图5．

图5 SVM-DTC控制和常规DTC控制的速度和转矩实验曲线

从实验结果来看，二者的动态性能都很好，但是SVM-DTC控制的转矩脉动小，稳态性能更好，转速更平稳，只是实验结果不如仿真结果那么理想，都稍稍有点超调，但是都能较快恢复．通过实验进一步验证了SVM-DTC控制方法是可行的．

[1] 周华伟, 刘国海. 基于空间电压矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制研究[J]. 微电机, 2006, 39(7): 38-40.

[2] 王斌, 王跃, 王兆安. 空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制[J]. 电机与控制学报, 2010, 14(6): 45-50.

[3] 郎宝华, 刘卫国, 贺虎成. 基于空间矢量调制的 PMSM 直接转矩控制系统[J]. 系统仿真学报, 2009, 21(3): 836-840.

[4] 王旭, 邢岩, 刘岩, 等. 永磁同步电机无速度传感器的直接转矩控制系统[J]. 东北大学学报, 2012, 33(5): 618-621.

[5] 李君, 李毓洲. 无速度传感器永磁同步电机的SVM-DTC控制[J]. 中国电机工程学报, 2007, 27(3): 8-34.

[6] 齐放, 邓智泉, 仇志坚, 等. 基于MRAS的永磁同步电机无速度传感器[J]. 电工技术学报, 2007, 22(4): 53-58. [7] 万文斌, 陈鹏程, 苏振东. 基于 MARS的永磁同步电机无速度传感器滑模控制研究[J]. 电气自动化, 2011, 33(2): 7-10.

[8] 何师, 邱阿瑞, 袁新枚. 基于SVM的永磁同步电动机直接转矩控制实验研究[J]. 微电机, 2008, 41(4): 6-8.

The Direct Torque Control of the Permanent Magnet Synchronous Motor’s Speedless Sensor Based on Space Vector Modulation

LIU Ling, QIAN Xiangzhong
(School of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

The control strategy for the direct torque control of the permanent magnet synchronous motor’s sensor based on space vector modulation is proposed, and the model reference adaptive system method for identifying motor speed is applied to the control. Matlab / Simulink is used to simulate the control system, and drawing on SVM-DTC method, an experiment is conducted on the permanent magnet synchronous motor. The simulation and experiment show that the strategy has good properties of stability and dynamicity capable of having fast dynamic response, effective reduction of the torque and current ripple, and improvement of the control performance of the system.

Space Vector Modulation; Direct Torque Control; Permanent Magnet Synchronous Motor; Control of Speedless Sensor; Model Reference Adaptive

TM301.2

A

1674-3563(2014)01-0039-07

10.3875/j.issn.1674-3563.2014.01.006 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

(编辑：王一芳)

2013-05-06

浙江省重点科技创新团队自主设计项目(2012R10006-12)

柳凌(1987- )，男，湖南岳阳人，硕士研究生，研究方向：计算机检测与控制