摘要：永磁同步電機(jī)（PMSM）的大量使用使得對(duì)其研究越來越多，采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的PMSM因其良好的響應(yīng)性，容錯(cuò)能力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而被大量使用。但是其本身特點(diǎn)也會(huì)造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，多年來對(duì)PMSMDTC轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制研究也出現(xiàn)不少成果，各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一個(gè)基于滑模控制（SMC）和空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)的對(duì)PMSMDTC轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的新方法，采用滑模控制取代兩個(gè)滯環(huán)比較器，得到交直軸參考電壓，再用SVPWM技術(shù)調(diào)制參考電壓。這樣就將滯環(huán)比較器的帶寬導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)解決了，還提高了精準(zhǔn)度和響應(yīng)速度，也能減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了此方法的有效性，但是該方法也有一些缺點(diǎn)。還發(fā)現(xiàn)PI控制器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能有重要影響。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)滑模控制空間矢量脈寬調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制PI值

1.前言

這些年永磁同步電機(jī)（PMSM）的使用越來越廣泛，在制造領(lǐng)域，在汽車行業(yè)，甚至有些動(dòng)車也使用永磁同步電機(jī)。原因是PMSM其獨(dú)特的有點(diǎn)，功率密度大，材料環(huán)保，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易。在PMSM的控制中，直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）是重要的組成，DTC技術(shù)起步相對(duì)于磁場(chǎng)定向控制（FOC）晚，但是擁有控制簡(jiǎn)單，容錯(cuò)能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。DTC也有其缺點(diǎn)，特別是傳統(tǒng)的PMSMDTC采用滯環(huán)比較器來控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，造成了不可避免的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，再加上其他原因造成的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，DTC控制效果沒有FOC效果好，但是這些年在抑制DTC脈動(dòng)方面，科研人員作出了巨大的努力，方法很多，效果參差不其，比如有增加0矢量的，有細(xì)分區(qū)間的，有增加基本矢量的，有使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的等等，其中很多要么沒有去掉滯環(huán)比較器，要么非常復(fù)雜，或者效果不好，本文使用SMC與SVPWM技術(shù)來減小PMSMDTC轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，即去除了滯環(huán)比較環(huán)節(jié)也不大幅度增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，仿真結(jié)果也顯示本方案對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果很好。

2.PMSMDTC技術(shù)及其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)原因

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)產(chǎn)生于上世紀(jì)80年代，最初運(yùn)用在異步電機(jī)控制上，之后才運(yùn)用在永磁同步電機(jī)上。我們可以通過圖2-1簡(jiǎn)單分析其基本原理，在矢量條件下，定子電壓可以分為與定子磁鏈Ψ _s平行的分量u_ST和垂直分量u_sn，兩個(gè)分量可以控制定子磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)速，我們知道電氣時(shí)間常數(shù)比機(jī)械時(shí)間常數(shù)小很多，所以我們認(rèn)為在改變定子磁鏈的時(shí)候，轉(zhuǎn)子位置幾乎沒變化，也就能改變δ_ST的大小。根據(jù)

我們可以知道控制了磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)速就能控制電磁轉(zhuǎn)矩。這就是PMSMDTC原理。實(shí)際操作的時(shí)候是采用滯環(huán)比較控制磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)矩幅值（磁鏈轉(zhuǎn)速意義上等同于電磁轉(zhuǎn)矩），設(shè)定一個(gè)定子磁鏈范圍和一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩范圍（上下限），每當(dāng)磁鏈或者轉(zhuǎn)矩碰到限值時(shí)就會(huì)觸發(fā)開關(guān)進(jìn)行一次電壓選擇，達(dá)到控制電磁轉(zhuǎn)矩的目的。

DTC轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)原因很多，主要的有其控制策略采用的滯環(huán)比較本身的帶寬就導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩不是一個(gè)精確值，而是一個(gè)范圍，并且?guī)挷荒芴』蛘咛螅?huì)使得開關(guān)頻率增加，損耗增加，可控度下降，甚至引起更嚴(yán)重的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，帶寬太大就直接增加了脈動(dòng)幅值。在低速時(shí)效果也不好，定子電阻分壓較大，不能忽略。而DTC中計(jì)算磁鏈時(shí)把定子電阻忽略了。其他原因還有硬件測(cè)量精度問題，電機(jī)電器參數(shù)實(shí)時(shí)改變問題，控制精度問題等。

3.SMC技術(shù)

滑模控制（SMC）也稱滑模變結(jié)構(gòu)控制，是上世紀(jì)50年代由前蘇聯(lián)Emelyanov等人提出，經(jīng)Utkin等人進(jìn)一步研究而發(fā)展起來的一類非線性控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)方法。變結(jié)構(gòu)是通過切換函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)控制系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)出若干個(gè)切換函數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)向量所決定的切換函數(shù)值隨著它的運(yùn)動(dòng)到達(dá)某特定值時(shí)，系統(tǒng)中一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成另一種結(jié)構(gòu)。滑模控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”隨時(shí)間變化的開關(guān)特性。該控制特性可以迫使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡做小幅度、高頻率的上下運(yùn)動(dòng)，即滑動(dòng)模態(tài)或“滑模”運(yùn)動(dòng)。這種滑動(dòng)模態(tài)是可以設(shè)計(jì)的，且與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動(dòng)無關(guān)。這樣，處于滑模運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)就具有很好的魯棒性，能夠快速響應(yīng)，物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但是滑模控制也有抖動(dòng)問題，會(huì)減小系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4.SVPWM技術(shù)

SVPWM即空間矢量脈寬調(diào)制，其基本原理是基于平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)通過對(duì)基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等，如圖4-1所示，在求得我們需要的電壓u_sref后，可以利用所在區(qū)域相關(guān)的兩個(gè)基本電壓矢量來合成u_sref，使得

實(shí)際運(yùn)用中會(huì)增加0矢量進(jìn)去，因?yàn)橛袝r(shí)時(shí)間不匹配。使用SVPWM能顯著的提升DTC控制性能和減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，因?yàn)镾VPWM沒有使用滯環(huán)比較，而是直接求取參考電壓并輸出參考電壓，所以理論上它是精確控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩的，而且開關(guān)頻率還恒定。SVPWM也會(huì)有其他原因造成的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，硬件問題，參數(shù)準(zhǔn)確問題，測(cè)量精度與控制精度問題等。

5.仿真及討論

使用控制變量對(duì)比實(shí)驗(yàn)，不變量為仿真時(shí)間0.4s；電源直流310V；逆變器模型為3橋臂IGBT和反并聯(lián)二極管，緩沖電容無限大，緩沖電阻1e5Ω，導(dǎo)通電阻1e-3Ω，Tf：1e-6Tt：2e-6；電機(jī)模型3相隱級(jí)式，定子相電阻1.2Ω，交直軸電感均8.5mH，指定永磁體磁鏈大小0.175V.s,電壓常數(shù)126.966，轉(zhuǎn)矩常數(shù)1.05，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.0008，黏著系數(shù)0，極對(duì)數(shù)4，其余均為0，轉(zhuǎn)子磁鏈定向于A軸；負(fù)載在0-0.2s為0，在0.2s-0.4s為1.5N.m;轉(zhuǎn)速600r/min。變量為控制策略，一個(gè)使用傳統(tǒng)PMSMDTC控制方法，另一個(gè)使用SMC-SVPWM-PMSMDTC控制方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果采集轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩波形圖進(jìn)行對(duì)比分析。

首先進(jìn)行傳統(tǒng)PMSMDTC實(shí)驗(yàn)，首先是仿真建模，如圖5-1所示，給定轉(zhuǎn)速，通過PI調(diào)節(jié)得到需求轉(zhuǎn)矩（P=0.1,I=5），磁鏈給定，兩個(gè)滯環(huán)比較器的帶寬為0.004，開關(guān)表沒有0矢量，該系統(tǒng)為有速度傳感器控制。負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.2s從0升到1.5N.m。

仿真結(jié)果如圖5-3到5-8所示,5-3、5-5、5-7來自傳統(tǒng)PMSMDTC仿真結(jié)果，5-4、5-6、5-8來自SMC-SVPWM-PMSMDTC仿真結(jié)果，從圖中我們可以看出相對(duì)于傳統(tǒng)的PMSMDTC控制，SMC-SVPWM-PMSMDTC控制的速度響應(yīng)更快，轉(zhuǎn)速跟隨效果更好，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的效果明顯，磁鏈脈動(dòng)也有減小，提升了整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，原因就在于滑模控制和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用，以滑模控制取代滯環(huán)比較器，使得帶寬導(dǎo)致的主要脈動(dòng)消失，SVPWM精確構(gòu)造需要的定子電壓，因此能大幅度的減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈脈動(dòng)。不足點(diǎn)也有，就是轉(zhuǎn)速的超調(diào)量過大，負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化相對(duì)于傳統(tǒng)DTC更大，轉(zhuǎn)矩的超調(diào)量也大，磁鏈上升慢，其原因主要是滑模控制的敏感性和抖動(dòng)，還有PI控制器的參數(shù)設(shè)置問題，好的PI值參數(shù)會(huì)大幅度提升系統(tǒng)性能，反之則會(huì)大幅度減弱系統(tǒng)性能。

圖5-3

圖5-4

圖5-5

圖5-6

圖5-7

圖5-8

6.結(jié)論

傳統(tǒng)PMSMDTC控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯，但是響應(yīng)快，改進(jìn)后的SMC-SVPWM-PMSMDTC有效的抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并且還改善了磁鏈脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間，新系統(tǒng)的缺點(diǎn)是敏感，來源于滑模控制特性，在負(fù)載改變或者開始時(shí)超調(diào)量過大，磁鏈響應(yīng)慢。

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