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永磁同步电机的直接转矩控制
编辑: 发布日期:2019-09-25
  

  一、六矢量的直接转矩控制

  (1)仿真模型
永磁同步电机直接转矩控制的被控量为定子磁链与电磁转矩,通过对输出矢量的选择实
现这两个被控对象的滞环控制。
DTC控制控制的框图,包含如下基本部分:永磁同步电机,三相电压源型逆变器,磁链估算模块,转据估算模块,滞环控制模块,矢量选择表等构成。
磁链估算进行定子磁链观测,其基本原理为通过对施加在绕组上的有效电压的积分来获取磁链值,需要注意的是,由于定子磁链受到转子永磁体产生磁链的影响,因而在实际模型搭建时需要将永磁磁链作为定子磁链的初始值加以考虑。

  (2)多采样速率的电机仿真方法
实际的电机系统多为数字控制系统,这类控制系统的特征是控制过程是离散的,这与Simulink仿真有一定差异,举例来说,实际控制器中(包括Dspace及Dsp),采样周期与控制周期多为1k到10k不等。为了在仿真中尽可能的使得仿真的结果逼近实际,一般采用多采样速率仿真的方法,即将模型中的采样,控制,电气模型等模块设置为不同的运行步长,以实现与实际控制系统最大限度的一致。

  (3)仿真波形与分析
仿真所使用的永磁同步电机参数,该电机为一台常规的四对极永磁同步电机。
八个基本DTC控制控制下的磁链圆轨迹,从上图中可以看出,由于可以选择的基本矢量数量有限(只有六个),所以磁链轨迹的波动较大,但是由于受到滞环控制的调节,磁链轨迹仍然分布在正负环宽所构成的同心圆内。三相异步电动机笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜,得到了广泛的应用,其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。三相异步电机单层绕组按照其线圈的形状和端接部分排列布置的不同,可分为链式绕组、交叉链式绕组、同心式绕组和交叉式同心绕组等几种绕组形式。
电磁转矩与实际电磁转矩的比对,由于电磁转矩本身不能直接测量,因而电磁转矩的估算对于DTC控制显得尤为重要。

通过上图的对比,可以看出本模型所构建的电磁转矩估算模块具有较好的性能。
直接转矩控制下三相电流波形,从仿真结果中可以看出,电流波形的正弦度并不十分理想,这是有两方面的因素造成的:其一是直接转矩控制与电流滞环控制一样,其本质上还是滞环控制的一种,天生便具有高增益、稳态时性能较差的缺点;其二是基本DTC控制中所选用的基本空间矢量数量太少,矢量的细分度不够,造成其稳态性能相对较差。
在本仿真中,电机在启动时,负载转矩为5N.m,在0.05s时,突加负载转矩到12N.m,电磁转矩的的上升存在滞后环节,不可能实时的跟随负载转矩,因而此时根据转速平衡的动力学方程,电机的转速会略有下降。由于电机的转速调节是一个闭环调节的系统,因而在转速下降之后,电磁转矩逐渐提高实现新的转矩平衡关系,此时电磁转矩与负载转矩再次达到平衡并实现了转速的稳定。在这一动态过程结束,电机的运行重新进入稳态,此时由于输出的电磁转矩的提高,相应的abc三相电流的幅值也由于转矩的变化而提高。

  二、基于SVPWM-DTC的PMSM控制

  (1)仿真模型
第一节中所述的直接转矩控制方法基于六个有效基本空间矢量,在进行滞环控制时从六个空间矢量中选择最接近需求的一个作为电压源型逆变器的输出,这种控制方法的缺点与六拍供电的电压源型逆变器类似,即矢量的细分度不够,控制方法相对粗糙。
针对这类问题,结合空间矢量将基本矢量进行线性组合的理念,SVPWM-DTC方法应运
而生,这类方法的思想很简单,即通过基本矢量的线性组合来达到矢量细分的目的。

  (2)仿真与波形分析
SVPWM-DTC与基本DTC控制的最主要区别体现在静态性能上,相同负载情况下的三相电流波形:
对二者电流波形进行FFT分析得到。基本DTC与SVPWM-DTC控制下进入稳态后的A相电流波形进行FFT分析,以比较其静态性能,从下图可以看出,在相同的控制频率(5Khz)之下,基本DTC控制的总谐波含量THD(34.14%)要远高于SVPWM控制下(20.97%),这一波形对比说明了在静态时,SVPWM的调制方法所产生的电流谐波成分更小,这一特性也意味着更小的转矩脉动和更低的电机损耗。DTC-SVPWM的这一特性对于电机的发电和电动运行都有着很大的优势。
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