永磁同步电机直接转矩控制技术研究
罗浩 张雷
摘? 要：與异步电机相比，永磁同步电机具有结构简单、功率因数高、转矩惯量比大等优点。但是它也存在定子和转矩脉动大，开关频率不恒定等诸多问题。该文针对永磁同步电机直接转矩控制中出现的转矩脉动较大的问题，提出了一种永磁同步电机无磁链闭环直接转矩模糊控制的方法。该方法采用模糊控制器作为转速环的控制器，并去除磁链闭环，加入磁链限幅环节，将转矩作为控制目标，通过模糊控制器的优化，得出系统具有良好动态性能和自适应性。
关键词：永磁同步电机;直接转矩;模糊控制
中图分类号：TM351? ? ? ? 文献标志码：A
在现代高性能交流伺服系统中，永磁同步电机具有诸多优势：如结构简单、质量轻、功率因数高以及稳定可靠等。由于稀土材料的迅猛发展，永磁同步电机的生产成本大大降低，它渐渐替代异步电机成为各个领域应用的热点对象，如航天飞行、导弹追踪和电动汽车等领域均能看到它的身影。
直接转矩控制技术（Direct Torque Control， DTC）将磁链和转矩作为被控目标，通过筛选出合理的电压矢量，直接对其进行控制，简化了繁琐的控制过程。它具有结构简单，转矩动态响应快，对转子参数依赖性弱等特点。一经提出，便得到了普遍关注。
尽管直接转矩控制技术拥有许多优点，但是由于转矩和磁链调节系统中应用的滞环比较器存在迟滞缺陷，致使逆变器开关频率不恒定且产生较大转矩脉动。围绕这些问题，专家提出了许多改进方案。例如基于占空比调制的直接转矩控制、基于模型预测的直接转矩控制技术等。该文基于空间矢量调制的基础上，对永磁同步电机直接转矩控制技术进行研究，提出了一种无磁链直接转矩控制方案，并进行了模糊优化设计。
1 直接转矩控制技术
直接转矩控制技术是20世纪80年代提出的一种高性能电机控制方法，它省略了复杂的旋转坐标变换，将逆变器和电机看作一个整体，直接对转矩进行控制。这种方法最早应用于异步电机上，利用空间电压矢量控制定子和转子之间的差值达到控制的目的。不同于异步电机的是，永磁同步电机定子和转子是同步旋转的，它们之间不存在差值，因此，两者的实现方法稍有差别。对于表面式结构的永磁同步电机，直轴电感等于交轴电感，即Ld=Lq，则转矩方程可以表示为
由转矩方程可以看见，电机的极对数np、电感Ls、转子磁链Ψf都为设定值，不会发生改变。只有保持定子磁链幅值|Ψs|也为定值时，电磁转矩Te才会跟随转矩角δf按上述公式描述的关系成比例变化。因此，直接转矩控制的思想就是改变转矩角，达到电机直接控制电磁转矩的目的。
2 空间电压矢量的选择
直接转矩控制技术依据电压源逆变器提供的8个空间电压矢量来补偿，其中包括6个有效矢量和2个零矢量。
假设定子磁链Ψs位于第一扇区，并沿ωr逆时针方向旋转。电压矢量V2既增加磁链，也增大转矩;同理，电压矢量V5既减小磁链，也降低转矩。利用电压矢量V3虽增大转矩但却减小磁链，电压矢量V6虽降低转矩但却增加磁链。当定子磁链Ψs处于其他几个区域时，按照此规律同样也可以推出相似结果。
3 无磁链直接转矩控制系统的设计
永磁同步电机定子磁链的直接测量十分困难，通常将采集得到的电压电流经过积分运算后得到磁链信息。但由于定子电阻的存在，采样过程中产生误差，所以，定子磁链测量的准确度不是很好，为了解决这类问题，该文提出了一种无磁链直接控制转矩控制的方法，去掉了磁链闭环，让系统的控制更加直接。
由转矩的控制方程得
而
因此
又
通过公式可以得出，电磁转矩与定子磁链的交轴分量Ψsq成正比，而定子磁链交轴分量随时间t的变化率又与空间电压矢量的交轴分量μsq成正比。因此，控制空间电压矢量的交轴分量就可以控制电磁转矩，而不用像转矩磁链双闭环系统那样，保持定子磁链幅值不变，控制转矩角来控制转矩。这就意味着理论上可以去除磁链闭环，简化系统结构，方便计算。
去除磁链闭环后，系统中只含有转矩闭环。由于没有磁链闭环，电机在运行过程中可能出现定子磁链饱和的现象，会影响电机控制的准确度，甚至导致电机速度超出规定范围，产生危害。因此，无磁链闭环系统的设计还需要加入限幅环节，对定子磁链超出幅值的状况进行限制。当定子磁链超出限定幅值后，需要设计一种新的逆变器电压矢量开关表，设计该表的目的在于在保证电机稳定运行的基础上，快速降低定子磁链的幅值，使其保持在允许范围内，避免磁链饱和。需要注意的是，此处磁链幅值的作用是抑制定子磁链达到饱和程度，而非保持磁链幅值恒定不变。这样的设计，既降低了系统对磁链幅值计算精度的要求，也保证了电机运行的稳定性。
4 模糊优化的设计
为了满足对永磁同步电机的精准控制，系统通常采用闭环控制，在转速控制环中，负荷的突然变化会致使电机出现扰动，如果只采用传统PID控制，难以适应电机在运行过程的各个阶段对系统参数的需求，而模糊控制对系统参数的依赖性弱，鲁棒性强，可以在短暂时间内对系统参数的变化进行调整。因此，该文在转速控制环处用模糊控制器来替代PID控制器，对系统参数进行优化，满足动态响应。
模糊控制器由4部分组成。1） 模糊化。它的主要作用是将模糊控制器的输入量转化为可识别的模糊量。主要步骤如下：首先，将输入量进行模糊化处理;其次，把输入量转化为与之对应的模糊集合;最后，确定各输入量的值和其相关的隶属度函数。2） 知识库。知识库包括规则库和数据库两部分，它们是根据专家的经验建立起来的，是模糊控制器的重要组成环节。3） 推理单元。主要用于推理判断。4） 解模糊。把得到的模糊量转变为控制量输出。
在转速控制器的设计中，首先，把转速误差和误差变化率作为控制量输入控制器中进行模糊化处理，然后，按照模糊规则语言进行推理和判断，将得到的模糊值进行解模糊，最后，通过输出的控制量控制电机运行。
5 结语
永磁同步电机直接转矩控制技术，在航空航天、电动汽车等领域都得到了有效应用，不过，国内的应用较国外许多发达国家的应用领域狭隘，使用也比较简单。该文提出的永磁同步电机无磁链闭环直接转矩模糊控制的设计方法，这种方法不是通过间接控制电机的电流和磁链来控制电磁转矩，而是在去除磁链闭环的基础上将电磁转矩作为被控对象直接进行控制，因此，转矩动态响应迅速，控制效果良好，希望能为未来永磁同步电机直接转矩控制技术的研究提供一定的参考依据。
参考文献
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