三相永磁同步电机直接转矩控制技术研究

 郭  强，李  强

 （中北大学机电工程学院，山西  太原  030051）

摘要：电动机控制的核心是实现对其电磁转矩的控制，其控制方法有矢量控制和直接转矩控制等，相比矢量控制而言，直接转矩控制省去了磁场定向、矢量变换和电流控制等复杂环节，具有优良的动静态性能。介绍了直接转矩控制技术的原理，并在MATLAB/Simulink中建立了三相永磁同步电机的直接转矩控制模型，通过对模型仿真结果的分析，可以看到直接转矩控制具有良好的转矩控制效果和快速响应能力。

关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；研究中图分类号：TM351 

0  引言

 直接转矩控制( DTC)法于20世纪80年代中期由德国人提出，直接转矩控制系统具有结构简单、转矩动态响应快、调速性能优良等优点，并在电机控制中取得了快速的发展，尤其是在永磁同步电机( PMSM)中的发展更体现出直接转矩控制诸多的优良特性，比如功率因素更高、更节省电能、启动转矩与最大转矩倍数更大等，所以对永磁同步电机直接转矩控制技术的研究具有非常重要的实际意义。

1  直接转矩控制原理

 式(2)中，转子磁链矢量幅值Ψf不变，控制定子磁链矢量Ψs的幅值不变，就可以通过控制负载角霸来控制电磁转矩，这就是PMSM直接转矩控制的基本原理。

2基于电压模型的磁链和转矩估计

2.1  滞环比较控制

 由直接转矩控制原理可知，直接转矩控制以定子磁链和负载角作为控制变量，这两个变量的控制可以通过滞环比较器来实现。滞环比较器的原理是通过选择合理的开关电压矢量来控制逆变器逆变桥的开关，从而通过控制定子电压来控制电磁转矩。滞环比较器和电压源逆变器相当于一个高增量的P调节器，能够使得实际电流快速跟踪参考电流，消除电流跟踪过程中的延迟和滞后。图2为定子磁链矢量运行轨迹的控制图。

2.2 PMSM的数学模型

 可以用定子电压矢量方程估计定子磁链矢量Ψs，即有：

3  控制系统仿真

3.1  控制系统模型搭建

 在MATLAB 2012环境下，利用其内置Simulink模块工具，搭建PMSM的直接转矩控制系统仿真模型，整体框图如图3所示。

 图3中，i A、i B和i C、为定子三相电流，UDC为供给逆变器的直流电压，Ψ*为磁链给定，T*为参考扭矩，Sa、S b和S c为开关序列，S为滞环比较器控制逻辑输出，Angle为定子磁链空间位置角度，S n为扇区号，g为脉冲序列。

 该模型总体分为电动机模块和控制系统模块两大部分，利用模块化思想，将仿真模型分解为以下8个小模块：电流和电压坐标转换模块；磁链估算模块；转矩估算模块；位置估算模块；区间判断模块；滞环比较模块；脉冲模块；电动机参数测量模块。其中脉冲模块通过查表法来产生脉冲序列，控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断，查表法的作用为在表1中选择合适的开关电压矢量来控制定子磁链矢量的幅值和旋转速度，从而控制电磁转矩。

 下面列出了几个重要模块的结构框图，图4为定子磁链估算模块结构框图，图5为转矩估算模块结构框图，图6为位置估算模块结构框图，图7为区间判断模块结构框图，图8为滞环比较模块结构框图，图9为脉冲模块结构框图。

3.2  仿真结果与分析

 由仿真曲线可以看出，在参考转速为80 rad/s时，系统响应快速平稳，仅用时0.01 s，在此阶段系统的转矩恒定为30 N*m，定子磁链轨迹近似为圆形，满足磁链幅值不变的控制要求，由此可见基于PMSM的直接转矩控制系统结构简单并且具有优良的动静态调速性能。

4结束语

 本文对三相永磁同步电机的直接转矩控制原理和实现方法进行了详细介绍，利用磁链估算和滞环比较等方式来实现对PMSM的控制，最后在MATLAB/Simulink环境下对三相交流永磁同步电机的直接转矩控制方法进行了建模仿真，通过查表的方法实现定子电压矢量的选择，完成对PMSM的控制。仿真结果表明PMSM的直接转矩控制方法具有优良的动静态响应特性，能够完成对PMSM的良好控制，并且实现方法简单，具有重要的工程实践价值。