基于參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制

寧博文，劉瑩，程善美，秦憶

(華中科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢 430074)

基于參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制

寧博文，劉瑩，程善美，秦憶

(華中科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢 430074)

為了減小傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中較大的轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動(dòng)，并使逆變器開(kāi)關(guān)頻率保持恒定，研究了一種基于參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法。從定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓从吵龅膶?duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制作用考慮，對(duì)基于參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算的直接轉(zhuǎn)矩控制的原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)地分析和論述。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)轉(zhuǎn)矩方程局部線(xiàn)性化來(lái)獲取轉(zhuǎn)矩環(huán)的控制模型，在線(xiàn)性化過(guò)程中的誤差進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究了轉(zhuǎn)矩環(huán)PI控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所研究控制方法的可行性和有效性。

永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；參考磁鏈?zhǔn)噶?；空間矢量調(diào)制

0 引 言

永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous motor,PMSM)具有轉(zhuǎn)矩慣量比高、高效率以及高功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在中小功率電氣傳動(dòng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control,DTC)是一種高性能的電機(jī)控制方法，在上個(gè)世紀(jì)80年代由日本學(xué)者Takahashi和德國(guó)學(xué)者Depenbrock分別提出，并首先在異步電機(jī)中得到應(yīng)用。與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制方法基于靜止坐標(biāo)系，不需要精確的位置反饋，且直接以轉(zhuǎn)矩和磁鏈作為控制對(duì)象，具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性能，因此吸引了大量研究人員的關(guān)注。由于直接轉(zhuǎn)矩控制的上述優(yōu)點(diǎn)，隨后被推廣到永磁同步電機(jī)上，并成為了研究的熱點(diǎn)[3-6]。

傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)滯環(huán)控制器和開(kāi)關(guān)表來(lái)選取輸出的電壓矢量；但由于在每一個(gè)控制周期中，只能從6個(gè)有效電壓矢量中選取一個(gè)電壓矢量來(lái)輸出，因而存在轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動(dòng)大、逆變器開(kāi)關(guān)頻率不固定以及電流諧波大等問(wèn)題。圍繞這些不足之處，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究工作[7-12]。

文獻(xiàn)[7]提出了利用多電平變換器實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的方案，可以有效地減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動(dòng)；但由于電壓矢量的可選擇性增加，使得開(kāi)關(guān)表變得復(fù)雜，且增加了硬件成本。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]分別從對(duì)扇區(qū)進(jìn)行了細(xì)分和在線(xiàn)調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度考慮，來(lái)減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動(dòng)；但是這些方法中，每一個(gè)控制周期仍然是只能輸出一種電壓矢量，因此改善效果有限。

應(yīng)用空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制方法可以有效減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動(dòng)，并使逆變器開(kāi)關(guān)頻率保持恒定。文獻(xiàn)[13]從電機(jī)的非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)考慮，利用輸入輸出線(xiàn)性化控制理論，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦控制；但是這種方法依賴(lài)于電機(jī)的參數(shù)。文獻(xiàn)[14]提出了基于轉(zhuǎn)矩和磁鏈滑?？刂破鞯闹苯愚D(zhuǎn)矩控制，具有出色的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性能，且對(duì)參數(shù)的變化具有魯棒性；但是存在抖振的問(wèn)題。文獻(xiàn)[15]應(yīng)用兩個(gè)PI控制器分別對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)產(chǎn)生所需要的電壓矢量；由于需要整定的參數(shù)較多，因而控制結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。

為此，本文研究了一種基于參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制方法，這種方法在轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制環(huán)中僅需要應(yīng)用一個(gè)PI控制器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。文中在詳細(xì)分析其基本原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩方程局部線(xiàn)性化，并結(jié)合轉(zhuǎn)矩環(huán)控制變量間的關(guān)系，得到轉(zhuǎn)矩環(huán)傳遞函數(shù)，進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)矩環(huán)控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方法的可行性和有效性。

1 基于參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算的DTC基本原理

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程可以表示為關(guān)于負(fù)載角的關(guān)系式，即

(1)

式中：np表示極對(duì)數(shù)；Ls表示定子繞組的電感；ψr和ψs分別表示永磁磁鏈和定子磁鏈；δ為負(fù)載角；kT=3npψrψs/2Ls為比例系數(shù)。由于電機(jī)的參數(shù)基本為恒值，因此當(dāng)保持定子磁鏈幅值不變時(shí)，kT為常數(shù)。這樣，轉(zhuǎn)矩就只受到定子磁鏈和轉(zhuǎn)子永磁磁鏈之間的夾角δ即負(fù)載角的控制。對(duì)式(1)求導(dǎo)，可以推出，一個(gè)控制周期中轉(zhuǎn)矩變化和負(fù)載角變化之間的關(guān)系為

ΔTe=kTcosδΔδ。

(2)

由于控制周期很小，cosδ的值變化不大，因而轉(zhuǎn)矩的變化與負(fù)載角的變化一致。在一個(gè)控制周期內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子永磁磁鏈?zhǔn)噶康淖兓疽鈭D如圖1所示，其中磁鏈?zhǔn)噶康姆刀急３植蛔儭?/p>

圖1 磁鏈?zhǔn)噶孔兓疽鈭DFig.1 Schematic diagram of flux vector variation circuit

圖1中，定子磁鏈?zhǔn)噶拷嵌鹊淖兓癁棣う萻，轉(zhuǎn)子永磁磁鏈?zhǔn)噶拷嵌鹊淖兓癁棣豑s，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)子的電角速度，Δδ為負(fù)載角的變化量，它們之間的關(guān)系為

Δθs=Δδ+ωTs。

(3)

(4)

因而對(duì)應(yīng)于定子磁鏈?zhǔn)噶拷嵌鹊淖兓ㄗ哟沛準(zhǔn)噶康淖兓繛椋?/p>

(5)

描述了定子磁鏈?zhǔn)噶亢碗妷菏噶恐g關(guān)系的定子磁鏈的電壓方程為

(6)

由上式可知，定子磁鏈的變化實(shí)際上反映的是電壓矢量對(duì)磁鏈?zhǔn)噶康目刂谱饔?，因而通過(guò)精確地控制電壓矢量，可以補(bǔ)償定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓?。同樣依?jù)定子磁鏈的電壓方程，可以求出對(duì)應(yīng)于定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓?，所需要的電壓矢量為?/p>

(7)

通過(guò)上述分析可知，電磁轉(zhuǎn)矩所需要的改變，可以體現(xiàn)為定子磁鏈?zhǔn)噶拷嵌鹊淖兓?，另一方面?duì)應(yīng)于定子磁鏈?zhǔn)噶拷嵌鹊淖兓从吵龅亩ㄗ哟沛湹淖兓罱K可以通過(guò)電壓矢量的控制補(bǔ)償作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。基于這一思想，可以采用PI控制器對(duì)轉(zhuǎn)矩環(huán)進(jìn)行控制，根據(jù)轉(zhuǎn)矩的誤差實(shí)時(shí)得到定子磁鏈?zhǔn)噶拷嵌鹊脑隽?，進(jìn)而得到電機(jī)運(yùn)行所需要的定子電壓矢量，這種方法即為基于參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算的直接轉(zhuǎn)矩控制方法。其中，轉(zhuǎn)矩環(huán)PI控制器的輸入輸出關(guān)系為

其次，在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)等方面加入職業(yè)相關(guān)的技能素養(yǎng)的培養(yǎng)，邀請(qǐng)校企雙方專(zhuān)家一同評(píng)審“雙證融通課程”的標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)方案和考核方案。依托專(zhuān)業(yè)群的支撐作用，設(shè)置了酒店管理概論、飯店服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、酒店服務(wù)禮儀等先導(dǎo)課程，為學(xué)生修讀“雙證融通課程”做好準(zhǔn)備。從2013年始，先后與企業(yè)合作編寫(xiě)相關(guān)教材5部，這些被納入江蘇省十二五、十三五重點(diǎn)教材的最大特點(diǎn)就是將職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)納入到了教材體系。

(8)

式中：kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)。與傳統(tǒng)控制方法一樣，這種方法也是在靜止坐標(biāo)系上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。從控制結(jié)構(gòu)上看主要由4個(gè)部分組成，分別為參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算模塊、參考電壓矢量計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測(cè)模塊，以及SVPWM調(diào)制模塊。其中，轉(zhuǎn)矩給定為速度控制器的輸出，它與觀測(cè)得到的反饋轉(zhuǎn)矩之差，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩環(huán)PI控制器調(diào)節(jié)輸出得到定子磁鏈?zhǔn)噶拷嵌鹊脑隽浚僖罁?jù)定子磁鏈?zhǔn)噶康慕o定幅值以及當(dāng)前的定子磁鏈?zhǔn)噶康慕嵌?，?jì)算得到定子磁鏈?zhǔn)噶康母淖兞浚M(jìn)而由磁鏈的電壓方程計(jì)算得到參考定子電壓矢量，最后結(jié)合空間電壓矢量調(diào)制輸出逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

圖2 控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of control structure

2 轉(zhuǎn)矩環(huán)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)矩環(huán)PI控制器中的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能有著重要的影響，如果控制器PI參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，系統(tǒng)就可能得不到良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性能。本文通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的模型進(jìn)行分析，獲取PI參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

在對(duì)轉(zhuǎn)矩環(huán)PI控制器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要抽象出控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)。依據(jù)上一部分的分析，可以得到轉(zhuǎn)矩環(huán)的控制模型結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)矩環(huán)控制系統(tǒng)模型框圖Fig.3 Model block diagram of torque loop control system

在轉(zhuǎn)矩方程式中，轉(zhuǎn)矩是關(guān)于負(fù)載角的正弦函數(shù)，即兩者之間是非線(xiàn)性關(guān)系。為了簡(jiǎn)化控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程，在研究系統(tǒng)、設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)盡可能考慮將非線(xiàn)性問(wèn)題在合理的條件下簡(jiǎn)化為線(xiàn)性問(wèn)題，再運(yùn)用成熟的線(xiàn)性系統(tǒng)理論進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，故下面先對(duì)轉(zhuǎn)矩方程的非線(xiàn)性部分進(jìn)行近似的線(xiàn)性處理。

由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載角δ的值非常小，可以認(rèn)為

sinδ≈δ。

(9)

這樣就對(duì)非線(xiàn)性函數(shù)sinδ進(jìn)行了局部線(xiàn)性擬合。當(dāng)負(fù)載角在(-30°，30°)范圍時(shí)，線(xiàn)性擬合的曲線(xiàn)如圖4所示。

從圖4中可以看出，兩條曲線(xiàn)基本重合。為了從量化角度對(duì)擬合的誤差進(jìn)行評(píng)估，定義擬合誤差函數(shù)為

(10)

圖4 線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)Fig.4 Curve of linear fitting

由擬合誤差函數(shù)表達(dá)式可以得到擬合誤差函數(shù)曲線(xiàn)，如圖5所示。可以看出，當(dāng)負(fù)載角在(-30°，30°)范圍時(shí)，擬合誤差在5%范圍之內(nèi)。對(duì)于本文所應(yīng)用的電機(jī)，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)負(fù)載角在15°范圍之內(nèi)，因而擬合誤差可以在3%之內(nèi)，本文所應(yīng)用電機(jī)的電氣參數(shù)如表1所示。

圖5 線(xiàn)性擬合誤差曲線(xiàn)Fig.5 Curve of linear fitting error

表1 PMSM主要參數(shù)Table 1 Main parameters of PMSM

經(jīng)過(guò)線(xiàn)性擬合之后，轉(zhuǎn)矩方程表示為

Te=kTδ。

(11)

這樣就可以將圖3所示的轉(zhuǎn)矩環(huán)的控制環(huán)節(jié)抽象為控制對(duì)象和控制器兩個(gè)部分，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)矩環(huán)系統(tǒng)抽象模型Fig.6 Abstract model of torque loop system

轉(zhuǎn)矩環(huán)控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為

(12)

而抽象出的控制器的傳遞函數(shù)為

(13)

其中Ts為采樣周期。根據(jù)簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)矩環(huán)控制框圖圖6，可以求得轉(zhuǎn)矩環(huán)的傳遞函數(shù)為

(14)

所得到的轉(zhuǎn)矩環(huán)傳遞函數(shù)是一個(gè)二階系統(tǒng)，通常二階系統(tǒng)的特征方程為

(15)

其中：ωn為自然角頻率；ζ為阻尼系數(shù)。將轉(zhuǎn)矩環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程與二階系統(tǒng)的特征方程相對(duì)應(yīng)，可以得到：

(16)

(17)

由此，可以求得相應(yīng)的控制器參數(shù)為：

(18)

(19)

當(dāng)采樣周期Ts確定時(shí)，由阻尼系數(shù)ζ和自然角頻率ωn就可以得到控制器的參數(shù)。

在求取控制器參數(shù)的過(guò)程中，先忽略了擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。在擾動(dòng)作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)誤差為

(20)

由于轉(zhuǎn)矩環(huán)控制周期較快，速度的變化相對(duì)于轉(zhuǎn)矩的控制而言是很慢的，因而擾動(dòng)信號(hào)ω在每一個(gè)轉(zhuǎn)矩環(huán)控制周期中可以看成是恒定的，那么ω(s)=ω/s，這樣利用拉氏變換的終值定理，可以求取擾動(dòng)信號(hào)作用時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為

0。

(21)

因此外部擾動(dòng)并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行造成影響。

3 仿真與試驗(yàn)研究

依據(jù)上述分析和圖2所示的基于參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)框圖，在Matlab中搭建了仿真模型進(jìn)行仿真研究，并在以TMS320F28335為核心控制器搭建的控制平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在仿真和實(shí)驗(yàn)中，速度環(huán)控制周期為1 kHz，轉(zhuǎn)矩環(huán)控制周期10 kHz，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)Tripple和定子磁鏈的波動(dòng)ψripple的計(jì)算式為：

(22)

圖7所示為取不同的PI參數(shù)時(shí)，由圖3所得到的轉(zhuǎn)矩環(huán)控制模型和實(shí)際系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)波形。其中自然角頻率ωn取值為1 000 rad/s，在圖7(a)中阻尼系數(shù)ζ=1，因此轉(zhuǎn)矩控制器的PI參數(shù)值為kp=0.006 462，ki=3.231。而在圖7(b)中，阻尼系數(shù)ζ=2，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩控制器的PI參數(shù)值為kp=0.012 9，ki=3.231?？梢钥闯觯瑢?shí)際系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)與轉(zhuǎn)矩環(huán)模型的響應(yīng)基本相同，這說(shuō)明上述提出的系統(tǒng)局部近似線(xiàn)性化后建模的正確性。

圖8為基于參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)以及定子磁鏈響應(yīng)的仿真波形。仿真中的速度給定為1 500 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.5 s時(shí)從空載變?yōu)轭~定負(fù)載6 N·m，定子磁鏈給定值為0.884 Wb?；趨⒖即沛?zhǔn)噶坑?jì)算方法中的轉(zhuǎn)矩環(huán)PI控制器中kp=0.012 9，ki=3.231。可以看出，在運(yùn)行過(guò)程中的不同狀態(tài)下，定子磁鏈幅值可以保持恒定。

圖7 轉(zhuǎn)矩環(huán)響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.7 Response curve of torque loop

傳統(tǒng)DTC方法和基于參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算DTC方法的實(shí)驗(yàn)波形如圖9和圖10所示，其中轉(zhuǎn)速給定為斜坡給定。從轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)波形可以看出，由于采用斜坡給定的啟動(dòng)方式，實(shí)際轉(zhuǎn)速不會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，在1 000 r/min情況下到達(dá)給定轉(zhuǎn)速的時(shí)間為0.1 s。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)DTC方法的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的波動(dòng)都較大，依據(jù)式(22)，可得1 000 r/min穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和磁鏈波動(dòng)分別為T(mén)ripple=2.078 9 N·m和ψripple=0.004 7 Wb。

在參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算DTC控制方法中，轉(zhuǎn)矩環(huán)PI參數(shù)按照文中所論述的方法進(jìn)行取值，在1 000 r/min空載運(yùn)行時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示。可知在1 000 r/min運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速響應(yīng)快速，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.1 s，與傳統(tǒng)DTC方法相同。從轉(zhuǎn)矩響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形可以看出，轉(zhuǎn)矩反饋能快速地跟上轉(zhuǎn)矩給定，反映了轉(zhuǎn)矩快速的響應(yīng)性能。從定子磁鏈響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形可以看出，此時(shí)磁鏈幅值保持恒定，基本與給定值相等。由于采用空間電壓矢量調(diào)制的方式輸出，轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈?zhǔn)芨嚯妷菏噶康目刂疲鼈兊牟▌?dòng)明顯地減小。依據(jù)式(22)，在1 000 r/min運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為T(mén)ripple=0.092 6 N·m，磁鏈波動(dòng)為ψripple=0.000 314 31 Wb，相比于傳統(tǒng)DTC方法，波動(dòng)顯著減小。

圖8 基于參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算的DTC仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of DTC based on reference flux vector calculation

圖9 傳統(tǒng)DTC實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveforms of the conventional DTC

圖10 基于參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算DTC實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveforms of DTC based on reference flux vector calculation

4 結(jié) 論

為了在改善轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動(dòng)的同時(shí)，使逆變器的開(kāi)關(guān)頻率保持恒定，研究了基于參考磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制方法。文中分析了定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓娃D(zhuǎn)矩的關(guān)系，由定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽壳笕∷枰碾妷菏噶?，以補(bǔ)償定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差，并通過(guò)空間矢量調(diào)制方式對(duì)電壓矢量輸出。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩方程局部線(xiàn)性化來(lái)獲取轉(zhuǎn)矩環(huán)的控制模型，并對(duì)轉(zhuǎn)矩環(huán)PI控制器的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研究的方案可以有效減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動(dòng)。

[1] ZHU H,XIAO X,LI Y.Torque ripple reduction of the torque predictive control scheme for permanent magnet synchronous motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(2):871.

[2] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁同步電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997:96-135.

[3] ZHONG L,RAHMAN M F,HU W Y,et al.Analysis of direct torque control in permanent magnet synchronous motor drives[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1997,12(3):528.

[4] BUJA G S,KAZMIERKOWSKI M P.Direct torque control of PWM inverter-fed AC motors—a survey[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2004,51(4):744.

[5] NIU F,WANG B,BABEL A S,et al.Comparative evaluation of direct torque control strategies for permanent magnet synchronous machines[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2016,31(2):1408.

[6] 楊影,陳鑫,涂小衛(wèi),等.占空比調(diào)制的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2014(4):66.YANG Ying,CHEN Xin,TU Xiaowei,et al.Direct torque control of permanent magnet synchronous motor based on duty ratio control[J].Electric Machines and Control,2014(4):66.

[7] 林磊,鄒云屏,王展,等.一種具有中點(diǎn)平衡功能的三電平異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(3):46.LIN Lei,ZOU Yunping,WANG Zhan,et al.A DTC algorithm of induction motors fed by three-level inverter with neutral-point balancing control[J].Proceedings of the CSEE,2007,27(3):46.

[8] 廖曉鐘,邵立偉.直接轉(zhuǎn)矩控制的十二區(qū)段控制方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(6):167.LIAO Xiaozhong,SHAO Liwei.The twelve-section control methods of direct torque control[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(6):167.

[9] UDDIN M,HAFEEZ M.FLC-based DTC scheme to improve the dynamic performance of an IM drive[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2012,48(2):823.

[10] 徐艷平,鐘彥儒.基于占空比控制的永磁同步電機(jī)新型直接轉(zhuǎn)矩控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(10):27.XU Yanping,ZHONG Yanru.A novel direct torque control strategy of permanent magnet synchronous motors based on duty ratio control[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(10):27.

[11] ZHANG Y,ZHU J.Direct torque control of permanent magnet synchronous motor with reduced torque ripple and commutation frequency[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(1):235.

[12] 李政學(xué),張永昌,李正熙,等.異步電機(jī)新型占空比直接轉(zhuǎn)矩控制方案[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(24):23.LI Zhengxue,ZHANG Yongchang,LI Zhengxi,et al.A novel direct torque control strategy of induction machine drives with simple duty ratio calculation[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2015,30(24):23.

[13] 周揚(yáng)忠,許海軍,毛潔.永磁同步發(fā)電系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩和磁鏈精確線(xiàn)性化解耦控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(24):96.ZHOU Yangzhong,XU Haijun,MAO Jie.Precision linearization decoupling control for torque and flux linkage of permanent synchronous generating system[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(24):96.

[14] XU Z,RAHMAN M F.Direct torque and flux regulation of an IPM synchronous motor drive using variable structure control approach[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(6):2487.

[15] 張華強(qiáng),王新生,魏鵬飛,等.基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制算法研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2012,16(6):13.ZHANG Huaqiang,WANG Xinsheng,WEI Pengfei,et al.Study on direct torque control algorithm based on space vector modulation[J].Electric Machines and Control,2012,16(6):13.

(編輯：劉琳琳)

DirecttorquecontrolofPMSMbasedonreferencefluxvectorcalculation

NING Bo-wen，LIU Ying，CHENG Shan-mei，QIN Yi

(School of Automation,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

In order to reduce the larger torque and flux ripples of the traditional direct torque control,and obtain the constant inverter switching frequency,an improved direct torque control method of PMSM based on reference flux vector calculation was studied.The principle and structure of the direct torque control with reference flux vector calculation was discussed in-depth by analyzing the control effect of the change of the stator flux vector on the torque and flux.Then the torque loop control model was obtained by partly linearizing the torque equation,and the parameter of the torque loop controller was designed after analyzing the error of the linearization procedure.Finally,the feasibility and validity of the studied control method was verified by the simulation and experiment results.

permanent magnet synchronous motors; direct torque control; reference flux vectors; space vector modulation

10.15938/j.emc.2017.09.001

TM 351

:A

:1007-449X(2017)09-0001-07

2016-08-22

寧博文(1987—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍碗姎鈧鲃?dòng)；劉 瑩(1988—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍碗姎鈧鲃?dòng)；程善美(1966—)，男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍碗姎鈧鲃?dòng)，智能控制技術(shù)；秦 憶(1945—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍碗姎鈧鲃?dòng)。

寧博文