一种简单的永磁同步电机SVM直接转矩控制研究

摘 要：传统的直接转矩控制运用磁链和转矩双滞环比较器控制，基于6个基本电压矢量设计离散开关表控制开关的通断，具有磁链和转矩脉动大，开关频率不稳定等缺点。本文研究了一种简单的永磁同步电机（SVM）的直接转矩控制方法，用于计算在一个采样周期内准确的电压矢量，来补偿磁链和转矩的误差。仿真实验结果表明，该方法能够有效地减小磁链和转矩脉动，降低谐波畸变，提高电机的运行性能。

关键词：SVM；直接转矩控制；磁链脉动；转矩脉动

中图分类号：TM351 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）04-0030-04

Abstract：The traditional direct torque control（DTC）is controlled by magnetic chain and torque double hysteresis comparator. Based on 6 basic voltage vectors，a discrete switch table control switch is designed，which has the disadvantages of large flux and torque ripple，unstable switching frequency and so on. A simple（SVM）direct torque control method for permanent magnet synchronous motor（PMSM）is studied in this paper，which is used to calculate the accuracy of voltage vectors in a sampling period to compensate the error of the magnetic chain and torque. The simulation results show that this method can effectively reduce the flux linkage and torque ripple，reduce the harmonic distortion and improve the motor performance.

Keywords：SVM；direct torque control；flux ripple；torque ripple

0 引 言

永磁同步电机由于结构简单、磁密度强以及效率高被广泛应用在数控机床、电梯控制和电动汽车等领域。它具有结构简单、响应快且不依赖电机参数等优点[1，2]。直接转矩控制根据磁链和转矩双滞环的输出作为开关表的输入实现对电机磁链和转矩的双闭环控制。由于每个采样周期只作用一个电压矢量，导致磁链在滞环带内波动，甚至会超出滞环的容差，而磁链的精确度直接决定转矩的精确度，这就是直接转矩控制磁链和转矩脉动的原因。同时，由于原力矩、转速和负载等方面的影响，同样的电压矢量会产生不同的磁链和转矩效果，这就导致了开关频率的不恒定。

针对以上问题，很多学者进行了深入的研究，如扇区细分和占空比控制相合的永磁同步电机直接转矩控制[3]、离散电压矢量法[4]和空间电压矢量方法[5，6]。文献[3]分析了不同矢量电压控制造成的磁链和转矩的不对称性，将扇区细分为18扇区，对电压矢量进行优化，并基于转矩增量计算占空比，改善了磁链运行的轨迹，减小了电磁转矩脉动。但是该方法对磁链不对性的减小没有给出具体的数据分析，缺乏具体的理论支持。文献[4]运用电压-电流磁链模型与电流-转速磁链模型的切换，运用离散电压空间电压矢量调制技术获得了更多的有效电压矢量，减小了转矩脉动。但是该方法电压-电流磁链模型与电流-转速模型的切换需要处理器进行详细地计算，会出现由于耗时导致的时延情况。

本文分析了磁链和转矩的脉动原因，采用了一种简单的电压矢量控制方法，计算在一个采样周期内准确的电压矢量，来补偿磁链和转矩的误差。仿真结果表明该方法能够有效地减小磁链和转矩脉动，降低谐波畸变。

1 传统的直接转矩控制

直接转矩控制首先由Takahashi和Noguchi提出，主要应用于中低功率感应电机领域[7，8]。后来，由Depenbrock提出应用在大功率领域。DTC由于结构思路简单、不需要复杂的坐标变换和电压解耦控制、响应速度快以及鲁棒性强等优点得到了广泛的应用。

传统的DTC的基本的数学模型如图1所示。两个定子电流（isa和isb）和直流母线电压VDC被采样。d-q轴的定子电压和电流矢量，定子磁链和电磁转矩也根据采样电压和电流按下式计算。

定子磁链和电磁转矩的幅值与他们的参考值按照图2所示的滞环比较器进行比较，其输出作为开关量表（如表1所示）的输入来选择最优的电压矢量。有8个基本的电压矢量，其中包括2个零矢量，如图3所示。每个选中的最优电压矢量在一个采样周期中起改变磁链和转矩的作用。因此，对于误差较小的磁链和转矩，在一个周期中有可能转矩会超出滞环的带宽，从而导致磁链和转矩的较大脉动。因此采用SVM（空间矢量调制）技术调节每个采样周期作用的电压矢量的大小和方向能有效地抑制磁链和转矩的脉动，改善电机的控制性能。

2 SVM-DTC控制方法

傳统的DTC由于一个采样周期只有一个电压矢量持续作用，导致磁链和转矩脉动大，功率开关频率不稳定。SVM技术在20世纪80年代后期由德国的研究团队提出，在理论上和实践上都取得了不错的进展。SVM-DTC技术有以下几个优点：直流母线电压的最优化应用、低的转矩脉动、低的谐波畸变、低的开关损失和比较容易实现数字化处理等。在每一个采样周期，一个预测方法应用来获得电压开关矢量，以补偿磁链和转矩的脉动。转矩脉动减小了，开关频率也维持恒定。SVM技术在一个开关周期（TZ）应用零电压矢量和两个相邻的电压矢量生成参考电压矢量，如图4所示。

参考电压在稳态的时候是恒压恒频的，每个TZ采样一次。在采样周期，逆变器开关动作，以便于保证在不同的开关状态，不同的占空比，采样周期内产生的平均电压在负值和角度方面都等于參考电压值。在一个采样周期TZ中，有效的开关状态是SA和SB，对应的电压矢量是V1和V2。两个开关状态SA和就是有效开关状态，SA指的是逆变器开关状态（001）、（100）或（010），而SB指的是开关状态（101）、（110）或（011）。T1和T2分别是作用于开关状态SA和SB的时间。零电压矢量T0和T7分别作用的开关状态是S0和S7。因此，在DTC中应用SVM技术，能够根据滞环比较器的输出来准确地计算需要的电压矢量的大小和方向，从而准确地控制磁链和转矩。而且在每个采样周期TZ中，能够保证每个开关开通一次，以此确保开关频率恒定。

3 仿真结果

本文对两个控制方法做了对比分析，一个是传统的DTC技术，一个是SVM-DTC技术，给出了以下实验验证。两种方法对应的电机参数如表2所示。

如图5-10所示，显示了永磁同步电机传统的和SVM-DTC两种方法的稳态运行状态。图5-6、图7-8和图9-10分别显示了两种方法的定子磁链、电磁转矩和定子电流的对比。实验证明，应用SVM-DTC技术后，定子磁链、转矩脉动和定子电流的脉动都减小了，电机的控制性能有很大的提高。

4 结 论

在传统的DTC技术中，磁链和转矩的受磁链滞环和转矩滞环的控制，在一个采样周期只有一个最优电压矢量作用，磁链和转矩脉动较大，开关频率随速度和负载的变化也在变化。尤其在低速的时候，转矩脉动存在很大的问题。SVM-DTC技术在一个采样周期内应用两个相邻的电压矢量和零电压矢量共同作用，可以产生任意大小和方向的电压矢量，正好补偿磁链和转矩的误差，从而有效地抑制了转矩脉动，又能确保开关频率恒定，改善了电机的控制性能。

参考文献：

[1] 牛峰，李奎，王尧.基于占空比调制的永磁同步电机直接转矩控制 [J].电工技术学报，2014，29（11）：20-29.

[2] 张永昌，杨海涛，魏香龙.基于快速矢量选择的永磁同步电机模型预测控制 [J].电工技术学报，2016，31（6）：66-73.

[3] 徐艳平，钟彦儒.扇区细分和占空比控制相结合的永磁同步电机直接转矩控制 [J].中国电机工程学报，2009，29（3）：102-108.

[4] 张兴，魏冬冬，杨淑英，等.基于DSVM混合磁链模型感应电机直接转矩控制 [J].电工技术学报，2010，25（11）：62-67.

[5] 袁登科，陶生桂.一种感应电机直接转矩控制系统性能改善方案 [J].中国电机工程学报，2005（8）：151-155.

[6] 王焕钢，徐文立，黎坚，等.一种新型的感应电动机直接转矩控制 [J].中国电机工程学报，2004（1）：107-111.

[7] Takashi I.，Noguchi T.“A new quick-response and high-efficiency control of an induction motor”IEEE Trans. Industry Applications，1986，IA-22（5）：820-827.

[8] Depenbrock M.“Direct self control（DSC）of inverter-fed induction machines”IEEE Trans.Power Electronics，1988，3（4）：420-429.

作者简介：唐美玲（1975-），女，汉族，副教授，博士研究生。研究方向：电机控制、电力电子与电力传动。