永磁同步电机直接转矩控制转矩脉动的抑制方法以及产生综述

1引　言 

直接转矩控制 (DTC)采取定子磁链定向, 利用两点式 (Band2Band)进行调节直接对电机的磁链 

和转矩进行控制, 使电机转矩响应迅速[1] 。直接转矩控制方法最早是针对感应电机 ( IM) 提出的, 其在感应电机中的应用研究已比较成熟 [ 2 ] 。永磁同步电机 ( PMSM)具有体积小、重量轻、效率高的优点, 鉴于 DTC在感应电机中的成功应用和永磁同步电机研制的突破性进展, 近年来, 将 DTC控制策略拓展应用于永磁同步电机, 以提高电机的快速转矩响应, 已经得到了广泛的研究。

传统PMSM直接转矩控制具有结构简单、响应快速、对电机参数不敏感、系统鲁棒性强等优点, 但也存在电流、磁链和转矩脉动大、逆变器开关频率不恒定等问题。其中转矩脉动大是其在工业中应用的主要原因。由于永磁同步电机的特性与异步电机有很大不同, 在 PMSM DTC中无法直接照搬 IM DTC的理论, 故有必要专门讨论 PMSM DTC转矩脉动抑制问题。下面将分析 PMSM DTC产生转矩脉动的原因, 并对近几年来国内外的研究进展作一下介绍。 

1　永磁同步电机 DTC基本原理及转矩脉动分析 

传统 DTC的基本原理DTC是采用定子磁链定向和空间矢量概念,通过检测定子电压、电流, 直接在定子坐标系下观测电机的磁链、转矩, 并将此观测值与给定磁链、转矩相比较, 差值经 2个滞环控制器得到相应控制信号, 再综合当前磁链状态从开关表中选择合适的电压空间矢量来控制逆变器的电子开关的状态, 直接对电机转矩实施控制。传统 DTC (图 1)中滞环比较器有两个控制状态, 在一定范围内无论误差大小, 滞环比较器都具有相同的输出, 在整个开关周期内, 所选择的电压矢量作用于电机, 定子电流、转矩等量始终沿着一个方向变化, 即每个采样周期只输出单一电压矢量。在转矩差较小的情况下, 所选择的电压矢量使转矩在一个开关周期的较短时间内就达到参考值, 而余下的时间未发生逆变器开关状态转换, 所选择的电压矢量仍作用于电机, 使转矩继续沿原来的方向变化, 超出转矩滞环的范围,从而产生较大的转矩脉动[ 3 ]。另外, 逆变器开关频率不固定也是加剧转矩脉动的一个原因。 

虽然可以通过减小滞环的宽度来减小转矩的脉动, 但这将提高电压矢量的切换频率, 导致开 

关器件的开关损耗增加。针对 PMSM转矩脉动大的问题, 国内外工作者提出了一些改进方案。 

2　开关表优化法 

2.1　采用零电压矢量的方法 

永磁同步电机 DTC和感应电机 DTC有较大差异, 例如零矢量的应用, 故有必要深入研究零矢量的表现。文献 [ 4 ]明确指出在 PMSM DTC中, 不用零矢量参与控制, 只使用 6个电压空间矢量, 并根据永磁同步电机的特点建立了开关表, 从仿真波形可以看出, 电机获得了快速响应, 但是转矩脉动仍然很大。文献 [ 5 ] [ 6 ]对零矢量的作用进行了仿真和实验分析, 证明在低速条件下, 零电压矢量对转矩影响非常小, 可以用来保持转矩值,但是当转速很高时, 零电压矢量会减小转矩, 实验证明合理利用零矢量可以在一定的程度上减小转矩脉动。文献 [ 7 ]根据零电压矢量的特点, 在系统低速稳态运行时选用零矢量减小转矩、在低速瞬态运行时选用有效电压矢量来减小转矩脉动,优化了开关表, 实验结果显示这种方法能在一定程度上减小转矩脉动, 但只增加的 2个零电压矢量, 对转矩脉动的抑制有限。 

2.2　定子磁链细分法 

文献 [ 8 ]将磁链细分法引入到永磁同步电机DTC中, 将定子磁链平面分成 12个扇区, 并且奇、偶扇区对应角度不一样。这样划分后, 在奇数扇区存在与定子磁链矢量垂直的电压矢量, 其对磁链矢量的作用比较明显; 当电压矢量与定子磁链夹角小于 90度时, 将使磁链幅值增加, 大于 90度时, 磁链幅值减小。在偶数扇区存在与定子磁链矢量平行的电压矢量, 其对电磁转矩的作用比较明显。磁链分区后, 矢量选择更加细致化, 仿真结果显示转矩脉动比传统 DTC要小, 而且减小了开关损耗。但是没有使用零电压矢量, 仍只有 6个矢量可以选择, 无法同时满足系统对转矩和磁链的要求, 而且磁链矢量位置信号的细分也存在边界划分的问题。 

2.3　离散空间矢量法 (DSVM2DTC) 

传统 DTC在一个采样周期内只能选择一个开关电压矢量, 但若将一个采样周期分为几个时间段, 尽管每个时间段仍只能选择一个开关电压矢量, 却可以在一个周期内组合成多个不同的电压矢量, 这就扩大了对电压矢量的选择范围, 增大了选择合适电压矢量的机会。文献 [ 9 ]将一个采样周期分成三个相同的时间段, 得到了更多的空间矢量, 由于每个电压矢量的作用强度差异较大,考虑按转矩偏差的大小来选择不同的电压矢量。同时考虑转矩稳态变化和瞬态变化对电压矢量的不同要求, 采用五位滞环比较器, 并且还考虑了转速的影响, 将转速分为三个区域, 即高、中、低速区, 再对这三个不同速度区域分别拟定不同的开关表。仿真结果表明, 在稳态情况下, DSVM2DTC有效抑制了转矩脉动, 而且保留了传统 DTC 响应快的特点, 但是只能提供有限的离散的电压矢量, 只能在一定程度上减少转矩脉动。 

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4　电压空间矢量调制 ( SVM2DTC) 

上面几种方法选择的电压矢量有限, 利用空间矢量的调制技术可以获得更多的、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。根据这种控制思想, 文献 [ 11 ]采用双闭环方式, 通过检测的电流和电压估算出定子磁链和转矩值, 分别与给定的定子磁链和转矩相比较, 再经过 2个 PI控制器, 生成参考电压和, 参考电压经过坐标变换后, 产生控制 SVPWM的输入电压, 进而驱动电机。

由 SVPWM技术知, 电压矢量可以由相邻的两个非零矢量和一个零矢量来合成, 通过这种方法在一定的区域内可以获得任意的开关电压矢量,因而 SVM2DTC方法比上面提到的几种基于开关表优化方法在转矩脉动抑制方面效果更明显。从仿真和实验结果可以看出, 基于 SVM2DTC转矩脉动明显减少, 而且这种方法保证了逆变器开关频率恒定, 改善了直接转矩控制系统性能, 但两个 PI调节器使系统结构复杂, 参数调节也变得困难。文献 [ 12 ]提出了一种改进的 SVM2DTC方法—基于参考磁链电压空间矢量调制的 DTC ( RFVC2DTC) 。系统只采用一个 PI控制器和一个参考磁链矢量计算模块去获得一个参考定子磁链矢量, 这个参考定子磁链与预估的定子磁链相比较, 得到一个磁链偏差, 利用 SVM技术, 选出 3个合适的电压矢量, 然后驱动逆变器进而对这个偏差进行补偿。当预估的电磁转矩小于参考转矩时, 控制器将会迫使定子磁链以一个更高的速度旋转, 增加定、转子磁链的夹角, 从而使转矩偏差为零。文献[ 13 ]用 DSP实现了参考磁链矢量补偿法在 PMSM DTC中的应用, 实验结果证明了该方法的可行性;文献 [ 14 ]提出采用对称的 SVM调制方法, 保证功率器件的开关频率恒定, 同时提出估计器的简单设计方案用以确定能完全补偿电机转矩、误差磁链所需的电压空间矢量, 仿真及实验验证了方法的有效性。从相关文献的仿真和实验波形可以看出, 采用 RFVC2DTC和传统 SVM2DTC可以明显减少转矩脉动, 而且保证了开关频率恒定, 缺点是使用 PI控制器, 引入了 PI调节器的共同缺点, 即特定的 PI系数对电机参数、转速和负载变化敏感,而且 PI调节器本身具有相位滞后效应, 系统鲁棒性变差。 

5　基于现代控制和智能控制理论 

5.1　基于滑模变结构控制的 PMSM DTC(VSS2DTC) 

由于 RFVC2DTC中仍然使用转矩 PI控制器,导致系统延迟, 影响系统的响应特性。文献 [ 15 ] [ 16 ]利用滑模变结构控制对系统参数摄动和干扰鲁棒性强、结构简单、响应快的特点, 将滑模变结构引入到 PMSM DTC中。文献 [ 15 ]用转矩和磁链两个滑模控制器来替代传统 DTC中的两个滞环比较器和开关表, 结合 SVM技术, 保证了逆变器开关频率基本恒定。为减小滑模切换时的高频抖动, 采用连续函数替代常规滑模控制器中的开关函数, 当系统状态运动到切换面时, 保证了实际磁链和转矩能够跟踪各自的给定值, 并且与 RFVC2 DTC做了对比实验, 从结果可以看出, 在减小转矩脉动、系统响应、谐波、磁链脉动方面, VSS2 DTC获得更好的性能。但是, 满足广义滑模条件的参数设置比较复杂, 而且也没有使用零电压矢 

量。文献 [ 16 ]采用变指数趋近律, 可以在最大程度上消除抖振, 为了进一步削弱到达原点前状态变量运动轨迹的抖振, 对符号函数采用平滑处理,从仿真图可以看出这种方法大幅度减小转矩脉动, 而且保证了开关频率不变, 但控制系统的复杂性大大增加。 

512　基于模糊控制的 PMSM DTC 

模糊控制在 PMSM DTC中减小转矩脉动的应用主要有以下 2种: ①用一个模糊控制器取代传统 DTC中的两个滞环控制器和开关表; ②用模糊控 制器决定一个采样周期中非零电压矢量的占空比微电机或作用时间。 

1) 调节电压矢量作用时间策略 

文献 [ 17 ]结合最优化控制理论, 在传统 DTC的基础上增加了一个转矩脉动控制器, 通过计算求得一个最优 ta值, 从而合理分配非零矢量和零矢量的作用时间, 保证在一个采样周期 t s 内, 转矩脉动最小。这种方法结构简单, 基本上保证了逆变器开关频率恒定, 理论上可以将转矩脉动在最小, 但是需要实时计算, 计算复杂, 不易实现。文献 [ 18 ]提出了一种基于模糊控制调节电压矢量作用时间策略的控制方法, 即根据转矩偏差和转矩偏差的变化率, 构造模糊调节器来调节每个采样周期内电压矢量的作用时间, 以减小转矩脉动。从仿真结果可以看出, 这种控制方法能有效地抑制转矩脉动, 但是这种控制系统仍然采用了 2个滞环控制器, 只能一定程度上减少转矩脉动, 而且模糊控制器在线进行模糊推理计算工作量大, 难以实时控制。 

2) 模糊控制器取代滞环和开关表 

文献 [ 19 ]设计了一个 3输入单输出的模糊控制器取代传统 DTC中的滞环和开关表, 采用定子磁链角度映射技术, 将 6个扇区变换到一个扇区进行计算, 只使用一个模糊控制规则表, 大大减少了模糊规则的数量, 提高了模糊推理的计算速度,并结合 SVM技术, 可以选择更多的电压矢量, 能更有效地减小转矩脉动。从与传统 DTC、传统FUZZY2DTC的仿真对比中看出, 这种方法减小转矩脉动效果最明显, 缺点是没能利用零电压矢量。针对文献 [ 19 ]中模糊控制器输入变量多、控制器设计复杂的问题, 文献 [ 20 ]提出了一种简化的模糊 DTC方法, 采用两输入的模糊控制器取代传统DTC中的滞环比较器, 并根据转矩偏差和磁链偏差的大小和正负以及定子所在的扇区来确定施加的电压矢量以减小转矩脉动, 这种方法降低了模 

糊控制器的输入维数, 一定程度上降低了系统的复杂度。模糊控制的控制规则主要来源于专家经验,控制规则和隶属度必须反复整定才能投入应用,且由于规则不再改变, 了其自适应能力, 可以将其与神经网络结合起来, 优势互补。 

6　结论与展望 

本文主要从减小 PMSM DTC转矩脉动方面着手, 分析了传统 DTC产生转矩脉动的原因, 并对目前国内外的研究成果进行了总结和比较分析.当然还有一些其他方法, 比如占空比控制法、软开关法, 还有一些组合方法: 如模糊控制 + RFVC DTC法 [ 21 ] 、神经网络 + SVM DTC法 [ 22 ] 等。PMSM DTC目前在国内外研究仍然是一个比较新的领域, 虽然已经有相当数量的研究成果, 但大部分只限于仿真阶段, 没能实用化, 而且还存在电流谐波、噪声、磁链观测、电阻特性、系统响应性等方面的问题, 这些也都需要解决。

今后的研究将主要在以下几个方面: ①借鉴感应电机直接转矩控制方面的优秀方法, 将其引 

入到永磁同步电机 DTC中; ②充分利用软开关损耗低的特点, 结合软开关技术改善性能; ③现代控制理论和智能控制理论的应用, 包括变结构控制、转矩脉动最优控制、神经网络、模糊控制等; ④组合方法的应用。今后的发展将是全面提高系统总体性能, 单独采用一种控制方法很难满足系统要求, 故将集中方法组合控制将是今后发展的重点, 而且随着数字处理器运算能力的大幅提高, 组合控制法是完全可以实现的; ⑤矢量控制与直接转矩控制相结合, 优势互补。 

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