永磁同步电机最优直接转矩控制_杨建飞

第31卷第27期中国电机工程学报V ol.31 No.27 Sep.25, 20112011年9月25日Proceedings of the CSEE ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 109 文章编号：0258-8013 (2011) 27-0109-07 中图分类号：TM 761 文献标志码：A 学科分类号：470·40永磁同步电机最优直接转矩控制杨建飞，胡育文(南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室，江苏省南京市 210016) Optimal Direct Torque Control of Permanent Magnet Synchronous MotorYANG Jianfei, HU Yuwen(Aero-power Sci-tech Center, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China)ABSTRACT: The amplitude of stator flux and torque angle in permanent magnet synchronous motor (PMSM) are controllable, the implementation method of direct torque control in PMSM is not unique. A new torque control method was presented according to the characteristic that the amplitude of stator flux linkage and torque angle are all controllable. The amplitude of the stator flux linkage and the torque angle were controlled synthetically. The optimal voltage vector was selected according to the torque requirement directly and the stator flux linkage control loop in traditional control method was eliminated in the proposed torque control method. The validity of the theory analysis and the feasibility of the toque control method are verified by the experiment results.KEY WORDS: permanent magnet synchronous motor (PMSM); direct torque control (DTC); stator flux; torque angle摘要：永磁同步电机转矩中定子磁链幅值和转矩角均为可控变量，直接转矩控制的实现方法不唯一。

根据永磁同步电机定子磁链和转矩角均可控的特点提出了一种最优直接转矩控制方法。

该方法不要求保持定子磁链幅值恒定，直接以转矩为最终控制目标选择最优电压矢量实现对电机转矩的直接控制，省去了传统直接转矩控制方法中的磁链环。

实验结果验证了理论分析的正确性和转矩控制方法的可行性。

关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；定子磁链；转矩角0 引言传统永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)直接转矩控制(direct torque control，DTC)通过保持定子磁链幅值恒定，迅速改变转矩角，实现对电机转矩的有效控制，该基金项目：国家自然科学基金项目(50877035)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50877035)．控制方案于1997年被提出后得到了成功应用[1]，引起了国内外学者的广泛关注，成为永磁同步电机高性能控制领域的热点研究问题[2-13]。

迄今为止关于永磁同步电机直接转矩控制方面的研究，都是在保持定子磁链恒定，通过改变转矩角实现对转矩的控制这一思路下展开的。

永磁同步电机的转矩取决于定子磁链、转子磁链以及二者之间的转矩角，其中定子磁链和转矩角均为可控变量，因此，实现永磁同步电机高性能转矩控制的方法并不唯一，除了传统的转矩控制方法之外，还可以有其他的实现方案。

本文从对转矩控制思想的优化出发，分析了永磁同步电机转矩变化规律，提出了一种新的转矩控制方法，该方法从转矩控制的核心思想和电压矢量的选取原则2个角度对传统DTC方法进行优化和改进，电机运行中不要求保持定子磁链幅值恒定，省去了传统直接转矩控制中的磁链控制环，为便于后续分析和介绍，将本文所提出的转矩控制方法称为最优直接转矩控制。

1 永磁同步电机最优直接转矩控制原理1.1 转矩控制原理分析对电机转矩的控制最终落实到对电压矢量的选择上，对于定子绕组为三角形连接的永磁同步电机，6个运动电压矢量分布如图1所示。

图中，αβ为两相静止坐标系；dq为转子同步旋转坐标系；xy 为定子磁链同步旋转坐标系；sψ为定子磁链，其相对于α轴角度为seθ；fψ为转子永磁体磁链，其相对于α轴角度为reθ；定转子磁链之间的夹角为δ。

对于隐极式永磁同步电机，其转矩[1]为e sf s f s s3sin/(2)3/(2)qT p L p Lψψδψψ== (1)DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2011.27.015110 中 国 电 机 工 程 学 报 第31卷式中：s L 为电机直交轴电感；s q ψ为定子磁链交轴分量。

U5图1 电压矢量和定转子磁链位置Fig. 1 Voltage vector, stator and rotor flux linkage电机转矩的微分可表示如下：s e f s d d 3d 2d q T pt L tψψ= (2) 由式(2)可知，对电机转矩的有效控制也就是对定子磁链交轴分量的有效控制，而对定子磁链的控制最终落实到对电压矢量的选择上，电压矢量和定子磁链矢量之间的关系[1]为ss s s d d R t−=u i ψ (3) 式中：s u 为电压矢量；s R 为定子电阻；s i 为定子电流矢量。

由式(3)中，T s 为控制周期，U x s()n ψ；转子磁链分别为f (1)n −ψ和f ()n ψ为(1)n δ−和()n δ。

图2 定转子磁链和转矩角变化 Fig. 2 Variation of stator, rotor flux linkage and power angle刻，则在零时刻的dq 坐标系中，d 轴和f (1)n −ψ重合，q 轴超前于d 轴90°，从s(1)n −ψ和s()n ψ的矢尖向d 轴作垂线，分别交d 轴于D 和F 点，从s(1)n −ψ矢尖向AF 作垂线交于E 点。

从图2所示的dq 坐标系中可知，电压矢量交轴分量u s q 在控制周期内的积分和定子磁链交轴分量的变化量之间满足：s s s ()s (1)q q n q n u T AE AF EF ψψ−==−=− (4)根据式(4)可知，当需要快速增加或减少电机转矩时，应选择使定子磁链交轴分量变化最快的空间电压矢量。

结合图1可知，随着转子磁链角度的变化，各个运动电压矢量的交轴分量随着转子磁链角度的变化而变化。

设电压矢量幅值为1 V ，逆时针超前于转子永磁体磁链的方向为转矩增加的方向，规定为正方向，则各个运动电压矢量交轴分量随转子角度的变化为1re 2re 3re 4re 5re 6re :sin(30):sin(90):sin(150):sin(210):sin(270):sin(330)U U U U U U θθθθθθ°−⎧⎪°−⎪⎪°−⎪⎨°−⎪⎪°−⎪°−⎪⎩ (5) 将式(5)中各个电压矢量交轴分量随转子角度变化情况示于图3中。

图3 电压矢量交轴分量随转子磁链角度变化情况Fig. 3 D-axis component of voltage vector vs. rotor position由图3可知，在θre ∈[0, 2π]，转子角度被平均分成6个扇区，每个扇区内电压矢量交轴分量都存在最大值和最小值。

以θre ∈[6π,36π]扇区为例，如 果需要使电机转矩变化为正向最大，则应选择最优电压矢量U 3，以快速增加定子磁链交轴分量；同理，如果需要使电机转矩变化为负向最大，则应选择最第27期 杨建飞等：永磁同步电机最优直接转矩控制 111表1 最优电压矢量选择表Tab. 1 Optimal voltage vector select tableθre ∈τ 11[0,)(,2]66πππU [,)62ππ 5[,)26ππ 57[,66ππ 73[,)62ππ 311[,)26ππ 1 U 2 U 3 U 4 U 5 U 6 U 1 0 U 0(U 7) U 0(U 7) U 0(U 7) U 0(U 7) U 0(U 7) U 0(U 7) −1U 5U 6U 1U 2U 3U 4优电压矢量U 6，以快速减少定子磁链交轴分量；当电机转矩在转矩调节器零电压矢量作用范围内，则选择零电压矢量。

据此，可以得到表1所示的最优电压矢量选择表，其中τ为转矩调节器输出标志，τ =1表示需要增加转矩，τ =0表示需要保持转矩， τ =−1表示需要减小转矩，U 0和U 7为零电压矢量，其根据功率管开关次数最少原则确定。

根据转矩调节器输出结果，并结合转子磁链角度，由表1选择最优电压矢量作用于电机，实现对电机转矩的最优控制。

1.2 定子磁链幅值的限幅方法从图1可以看到，运动电压矢量不仅包括交轴分量，也包括直轴分量，因此当运动电压矢量作用于电机后，不仅引起定子磁链交轴分量的变化，同时还引起了定子磁链直轴分量的变化，如果不对其进行限制，则很容易超出电机额定定子磁链幅值。

如果定子磁链幅值过大，导致定子绕组磁链饱和，最终发生过流，将使电机无法稳定运行，因此在永磁同步电机转矩控制过程中，必须检测定子磁链幅值，一旦检测到定子磁链幅值超过了额定值，则必须对定子磁链幅值进行限幅。

永磁同步电机在xy 定子同步旋转坐标系下定子电压和定子磁链幅值有如下关系[1]：s s s s s s s r s s s s s d d d ()d x x y yy U R i tU R i R i t ψδωψωψ⎧=+⎪⎪⎨⎪=++=+⎪⎩(6) 式中：s x i 、s y i 分别为定子电流在定子同步旋转坐标系下的x 轴分量和y 轴分量；s x U 、s y U 分别为定子 电压在定子磁链同步旋转坐标系下的x 轴分量和y 轴分量；s ω为定子磁链旋转角速度。