基于滑膜變結(jié)構(gòu)的PMSM DTC及其恒定開關(guān)頻率空間矢量調(diào)制

李曉竹，劉 凱

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電控學(xué)院，興城 125105）

0 引言

本文用兩種策略抑制磁鏈轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩脈動：1）采用對稱的SVM與DTC結(jié)合獲得更多的、連續(xù)變化的電壓空間矢量實現(xiàn)對電機(jī)磁鏈、轉(zhuǎn)矩更精確的控制并獲得逆變器開關(guān)頻率近似恒定；2）采用積分切換的自適應(yīng)滑模算法與積分環(huán)節(jié)并聯(lián)來構(gòu)成轉(zhuǎn)矩控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI控制器，利用其積分部分增強(qiáng)抗干擾性能，提高系統(tǒng)的魯棒性，并聯(lián)的積分環(huán)節(jié)可克服滑?？刂破鲙淼霓D(zhuǎn)速靜態(tài)誤差。

1 SVM原理

采用SVM的目標(biāo)是利用逆變器固有的基本空間電壓矢量合成所需的參考電壓空間矢量。電壓源型逆變器(VSI)的8個基本空間電壓矢量，其中Ts為系統(tǒng)的采樣周期，T0、T1、T2、T3將一個采樣周期分四段，φ為相鄰參考電壓矢量的夾角，且0≤φ≤60o。非零空間電壓矢量V1～V6將整個矢量平面均分成6個扇區(qū)，兩個零空間電壓矢量位于中心。在第一扇區(qū)中SVM可表示為：

其中，|Vs|是參考電壓矢量的幅值，上限值為 Vdc/；Vdc為直流母線電壓；|V1|和|V2|是S V M的兩個基本電壓矢量幅值，。余下的扇區(qū)中基本空間電壓矢量將隨著區(qū)域的轉(zhuǎn)換進(jìn)行相應(yīng)的變化來合成空間電壓矢量Vs。本文采用對稱的SVM策略可使直流母線電壓獲得任意合成電壓矢量，同時保證功率器件開關(guān)頻率恒定。

2 PMSM SVM DTC

如圖1所示，Ψs*為定子磁鏈參考值，Ψs為定子磁鏈?zhǔn)噶抗烙嬛?，θ為Ψs的角位置。dTe表示參考轉(zhuǎn)矩T*與估計轉(zhuǎn)矩Te之差。dTe和dδ可由一個PI調(diào)節(jié)器輸出一輸入關(guān)系得到，Vs由Vs觀測器得到，作為SVM的輸入調(diào)制合成該參考空間電壓矢量再送入逆變器產(chǎn)生對稱的PWM。

2.1 磁鏈 、轉(zhuǎn)矩估計器

在PMSM SVM DTC系統(tǒng)中：

圖1 改進(jìn)型PMSM DTC系統(tǒng)框圖

下標(biāo)α、β為各量在定子兩相靜止坐標(biāo)系下的分量。

2.2 Vs估計器

Vs的幅值和φ公式如下：

3 滑膜控制器

本文提出了積分切換的自適應(yīng)滑模算法來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，該算法中由于引進(jìn)了積分環(huán)節(jié)使得開關(guān)狀態(tài)間的過渡平滑性增強(qiáng)，故減小了在切平面上的“抖動”，由于滑模控制器的輸出是離散跳躍式的會使系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時產(chǎn)生轉(zhuǎn)速靜差，故在其輸出端并聯(lián)積分環(huán)節(jié)以抑制靜差。

3.1 自適應(yīng)滑模算法

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程：

電磁轉(zhuǎn)矩Te；負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL；電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量J；粘滯系數(shù)B；機(jī)械角速度ω。

當(dāng)電機(jī)為隱極式即Lα=Lβ，則

考慮到外界干擾和系統(tǒng)參數(shù)的不確定性，式（14）可表示為：

控制律函數(shù)為：

3.2 穩(wěn)定性分析

3.3 改進(jìn)型滑模變結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩控制器

圖1中轉(zhuǎn)矩控制模塊中PI公式為：

4 實驗

為了驗證系統(tǒng)的有效性，實驗采用了TI公司的TMS320C240EVM板，帶編碼器的PMSM，VSI型逆變器及其驅(qū)動，檢測及保護(hù)電路，MSO7052A混合信號示波器。電機(jī)參數(shù)為：Pn=2，Rs=1.88Ω，J=0.0085kg·m2，Lα=Lβ=0.1mH，TL=0.008N· m,Ψf=0.118Wb,滑膜控制器參數(shù)：KI=0.5,Kp=2.4,a=2.5。

實驗對比可知改進(jìn)系統(tǒng)中定子電流轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定比傳統(tǒng)PMSM DTC系統(tǒng)慢了近0.1秒是由于系統(tǒng)的計算復(fù)雜性增加所致。圖2的定子電流脈動反應(yīng)了逆變器開關(guān)狀態(tài)的相應(yīng)變化，穩(wěn)定時完美的正弦波證明了改進(jìn)系統(tǒng)開關(guān)頻率保持恒定的事實。

圖2 前后系統(tǒng)定子電流比較

由圖3可看出基于傳統(tǒng)PI算法的DTC的轉(zhuǎn)速劇烈抖動著，而改進(jìn)系統(tǒng)后轉(zhuǎn)速基波脈動消除也彌補(bǔ)了轉(zhuǎn)速靜差，啟動時平穩(wěn)上升，穩(wěn)態(tài)時較平直，合乎預(yù)期要求。

圖3 前后系統(tǒng)轉(zhuǎn)速比較

圖4顯示傳統(tǒng)的PMSM DTC磁鏈存在劇烈的脈動，系統(tǒng)改進(jìn)后磁鏈基波脈動已消除。

圖5顯示轉(zhuǎn)矩基波脈動已消除，并繼承了DTC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速的優(yōu)點，波形在穩(wěn)態(tài)時較平直改善了其穩(wěn)態(tài)性能。

圖4 前后系統(tǒng)定子磁鏈比較

圖5 前后系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩比較圖

由此得出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速、磁鏈基波脈動明顯有效的抑制說明了改進(jìn)系統(tǒng)的魯棒性增強(qiáng)，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計的要求。

5 結(jié)論

實驗結(jié)果及其與常規(guī)PMSM DTC性能的比較驗證了本文設(shè)計方案的有效性。由于SVM DTC對硬件要求低且性能良好，該算法用DSP器件實現(xiàn)便捷，能有效解決動靜態(tài)性能之間的矛盾，因此它具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] Z Xu.M F Rahman.Direct torque and fl ux regulation of an IPM synchronous motor drive using variable.structure control approach[C]//The 30th Annunl conference of the IEEE industrial electronics society.November 2-6.2004.Busan.Korea:2733-2738.

[2] Trusca M.Lazea G.An adaptive PID learning controller for periodic robot motion[C]//Proceeding of 2003 IEEE Conference on Control Applications.23-25 June 2003 Page(S):686-689.

[3] Ching-Hung Lee.Yi-Hsiung Lee.Ching-Cheng Teng.A novel robust PID controllers design by fuzzy neural network[c]//American Control Conference on 8-10 May 2002 Page(s):1561-1566.