PMSM空间矢量调制直接转矩控制研究

PMSM空间矢量调制直接转矩控制研究李小川1，王明1,，李铭峰2，翟龙1（1. 中国石油长庆油田公司西安长庆科技工程有限责任公司，陕西西安，710018；2.中国石油长庆油田公司长南气田开发项目部，陕西定边718600）摘要：本文分析了直接转矩控制（DTC）和空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法，引入磁链误差进行空间电压矢量预测，并在此基础上研究了永磁同步电机（PMSM）基于磁链误差空间矢量调制的直接转矩控制系统仿真建模方法，在matlab6.5/simlink环境下，建立独立功能模块:速度控制模块、转矩控制模块、磁链误差矢量计算控制模块、SVPWM模块和磁链转矩观测模块等，并对磁链误差矢量计算模块控制模块和磁链转矩观测模块进行改进。

仿真实验结果表明该方法有效，也适用于验证其他控制算法的合理性。

关键词：永磁同步电机；空间矢量脉宽调制；直接转矩控制；仿真Simulation of Permanent Magnet Synchronous Motor Using Direct Torque Control Methods of Flux Error Space Vector Pulse Width ModulateLi Xiaochuan1，Wang Ming1，Li Mingfeng2，Zhai Long1(1. Xi’an ChangQing technology eng ineering co. ltd. of PetroChina ChangQing Oil-field Company, Xi'an 710018, China；2. The South field development department, PetroChina ChangQing Oil-field Company, Dingbian 718600,China)Abstract: In this paper, based on the principles of direct torque control(DTC) and space vector pulse width modulate(SVPWM), a novel simulation system for PMSM with SVPWM-DTC scheme has been investigated by matlab6. 5/simlink. a double loop of control system, the speed loop and a torque-flux loop are established. the isolated functional blocks, such as Speed controller block, such as a speed controller block, a modified flux error calculating block, a flux-torque estimator block and a SVPWM block have been modeled. The simulation results show that the designed system has a good performance of speed and torque response. This method also offers a new thought way for PMSM control system designing and debugging in actual application.Key words: permanent-magnet synchronous motor，direct torque control，space vector pulse width modulate，simulation引言随着高性能永磁材料、电力电子技术大规模集成电路和计算技术的发展，近年来永磁同步电机(PMSM)的应用领域的不断扩大。

PMSM具有体积小、转矩大、效率高、控制简单和维护方便等优点。

近年来研究人员针对PMSM提出了很多控制策略。

的由于各个领域对电机控制的要求越来越高，既要考虑成本低廉、控制算法合理，又要兼顾控制性能好、开发周期短等。

同时也对PMSM数字化研究也提出了更高的要求，因此，如何建立有效的仿真模型越来越受到人们的关注[1-8]。

本文在分析永磁同步电机数学模型的基础上，提出基于磁滞误差空间矢量调制的直接转矩策略的作者简介：李小川（1980-），男，山西人，电气工程师，研究方向为电力系统设计PMSM控制系统建模方法。

利用matlab6.5这一工具，建立速度控制器模块、转矩控制器模块、磁链误差矢量计算模块、磁链转矩观测模块和空间矢量脉宽调制模块（SVPWM），产生6组脉宽调制（PWM）波控制三相电流源型逆变器进行矢量转换。

简明地体现了PMSM磁滞误差空间矢量调制的直接转矩控制系统基本原理和系统所实现的目的，在常规直接转矩控制策略的基础上有效的抑制了PMSM转矩脉动。

在此基础上，可以简便添加、删除闭环或者改变控制方法以便进行其他相关算法的研究。

仿真结果也证明了该建模方法的快速性和有效性。

因此，它为分析和设计PMSM矢量控制系统提供了有效的手段，也为实际应用中提供一种新思路。

1 空间矢量调制DTC 原理对于PMSM ，只要保持定子磁链幅值恒定，改变定子磁链旋转速度和方向瞬时调整功角，可实现转矩的动态控制。

根据交流电机理论，当忽略定子电阻时，定子磁链s ψ可表示为：()=-⋅≈⎰⎰s s s s s U R i dt U dt ψ （1）其中，s i 为定子电流。

由式1可以知道：定子磁链矢量ψ的端点将沿着所施加的空间电压矢量s U 的方向运动，ψ的幅值、运动方向和速度都可以通过选择合适的空间电压矢量s U 调节。

传统的直接转矩控制采用磁滞和转矩双滞环两点式调节，并通过矢量选择表选择空间电压矢量。

虽然简单，但系统转矩脉动过大，稳态误差难以消除。

为了抑制磁滞和转矩脉动，提出 FESVM-DTC 控制算法。

如图1，在两相静止坐标系αβ下，根据参考磁链s ψ与当前磁链s ψ的磁链偏差∆s ψ计算空间电压矢量s U ，再利用SVPWM 方法实现该空间电压矢量s U 的调制。

图1 电压矢量与磁链关系图式1两边取微分整理得：=-⋅ss s s d U R i dtψ （2） 式2离散化后整理得：∆-=-⋅=-⋅s s ss s s s s s sU R i R i T T ψψψ（3）其中cos sin cos sin ()⎧=⋅∠=⋅+⋅⋅⎪⎨=⋅∠=⋅+⋅⋅⎪⎩=+∆=+⋅s s s s s s s s s j j T ψψθψθψθψψθψθψθθθθθω （4）||s ψ为参考磁链幅值，||s ψ为当前磁链幅值，θ为参考磁链幅角，θ为当前磁链幅角，∆θ为磁链角度变化，ω为参考磁链矢量转速，s T 为采样周期。

由式3得到参考电影矢量s U ，下面针对s U 进行空间矢量调制。

空间矢量调制核心思想是：在一个控制周期中选择相邻非零电压矢量和零矢量，计算每个矢量的作用时间，从而合成所需的任意电压矢量，实现磁链和转矩的误差控制。

2 控制系统仿真模型在分析PMSM 的数学模型和FESVM-DTC 控制算法的基础上，提出建立FESVM-DTC 控制系统仿真模型的方法，其系统设计框图如图2所示。

图2 基于SVM-DTC 的PMSM 控制系统仿设计框图系统主要的仿真模块有：速度控制器模块、转矩控制器模块、磁链误差适量计算（SEVC ）模块、磁链转矩观测器（FTE ）模块、空间矢量脉宽调制（SVPWM ）模块、电压逆变模块和PMSM 本体模块。

在系统中，PMSM 三相电流经过坐标变换模块，转换为转矩电流d i 和励磁电流q i 和给定电流dref qref i i 、比较后经过电流调节器和矢量控制模块，生成SVPWM 模块的输入U α和U β，经空间电压矢量脉宽调制模块后触发逆变器开关工作。

图3 基于DTC 的PMSM 控制系统仿真建模框图2.1速度和转矩PI 控制器模块速度和转矩PI 控制器模块结构相同，如图4所示。

输入为参考量与实际量的差值，输出为控制量。

其中，Kp 为PI 控制器的p （比例）参考参数，Ki 为PI 控制器的I （积分）参考参数。

saturation 为饱和限幅模块，它将输出限定在要求的范围之内。

图4 速度控制模块结构框图2.2磁链误差矢量计算（SEVC ）模块分析FESVM-DTC 控制算法，在s T θω∆=⋅很小的情况下，2sin()cos()1()s ss s T T T T ωωωω⋅≈⋅⎧⎪⎨⋅≈-⋅⎪⎩ （5） 由式3、式4和式5联立。

得到下式 22(1())cos sin [(1())sin cos ]s s s s ss s Ts Ts j Ts Ts ψψωψθωψθψωψθωψθ∆=+⋅-⋅-⋅⋅⋅+⋅⋅+⋅-+⋅⋅⋅设/s p T ψψ=∆，建立仿真模型，如图5。

图5 SEVC 模块结构框图2.3磁链和转矩观测器（FTE ）模块分析FESVM-DTC 算法并结合PMSM 数学模型，建立FTE 仿真模型，FTE 模块分别由6个子模块组成，以逆变器开关量、、a b c S S S 和定子三相电流、、a b c ii i 作为输入，逆变器直流电压dc U 、电机定子电阻s R 和极对数p 已在模块内以常量形式给定。

输出为实际电机磁链s ψ、实际电机磁链幅角正弦sin θ值余弦值cos θ、实际电机转矩T 和电阻压降补偿is Rs ⋅。

模块结构图如图6。

图6 FTE 模块结构框图2.3.1 电压U α、U β计算模块定子两相电压、U U αβ转换公式为21130⎡⎤--⎡⎤⎡⎤⎢⎥=⋅⋅⎢⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎢⎥⎣⎦a dcbc S U U S U S αβ 其中，、、a b c S S S 为逆变器开关信号，dc U 为逆变器直流电压。

该模块可用Matlab 函数实现。

2.3.2 电流i α、i β计算模块两相相电流、i i αβ计算公式为：2110--⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢=⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎣⎦⎢⎥⎢⎣⎣⎦a b c i i i i i αβ其中，、、a b c i i i 定子三相相电流。

该模块可以利用matlab 函数实现。

2.3.3 磁链Ψα、Ψβ计算模块本模块的输入为定子两相相电流、i i αβ、相电压、U U αβ和定子绕组电阻s U 。

输出为定子磁链在αβ坐标系下的分量、αβψψ。

计算公式为：()()s s U R i dtU R idtαααβββψψ⎧=-⎪⎨=-⎪⎩⎰⎰ 建立仿真模型，如图7。