永磁同步电机控制算法–最优直接转矩控制

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

一、原理介绍

传统永磁同步电动机 DTC 理论建立的前提是把定子磁链幅值控制成常数，但由IPMSM转矩公式中可以清楚地看到：电磁转矩Te取决于定子磁链幅值与转矩角这两个变量共同作用的结果。

在数学中，这属于二维空间寻优的问题，将定子磁链幅值控制成常数减少了一个变量，在一定程度上降低了数学难度，但这样人为降维处理后求出的解已经不再是二维空间中的“全局最优解”，而是在规定路径（定子磁链为常数）上的“局部极值”。而在数学中“局部极值”是无法代替“全局最优解”的，在这种情况下，一种简便又完全符合永磁同步电机特点的新型 DTC 控制方法被提出。

将定子磁链分解成直轴分量和交轴分量，可得定子磁链交轴分量为

将其代入转矩公式

这样一来，隐极式永磁同步电动机的转矩就只与定子磁链交轴分量这一个变量有关了，既降低了数学难度还完整地保留了永磁同步电动机转矩的特色，无需再将定子磁链幅值控制成恒值。对上式左右两边同时求微分，可以得到下式：

由上式可知，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。永磁同步电机中空间电压矢量与定子磁链矢量之间的关系为

在忽略定子电阻压降的情况下，将其在 dq 坐标系下分解有：

将上式代入转矩微分公式得到

由转矩公式和转矩微分公式可以看出，由于转子磁链仅由永磁体独立提供，隐极式永磁同步电机的转矩变化只与定子磁链交轴分量的变化有关，无需再保持定子磁链幅值恒定。而定子磁链交轴分量的变化又由电压矢量交轴分量决定，因此，在转矩控制过程中，选择具有合适交轴分量的电压矢量即可有效控制电机转矩的变化。具体到最优空间电压矢量选择表的制作上，则有如下准则：当需要增大电动机转矩时，选择当前扇区内交轴分量正最大的那个空间电压矢量；如果需要减小转矩，选择当前扇区内交轴分量负最大的那个空间电压矢量即可。

然而，不需保持定子磁链幅值恒定并不代表不需要限制幅值，最优转矩空间电压矢量选择表仅仅关注了定子磁链交轴分量，但非零空间电压矢量作用于电机后，在引起定子磁链交轴分量的变化的同时，也会引起定子磁链直轴分量的变化，这样一来定子磁链的幅值也会发生变化，而定子磁链幅值超出额定值，有可能导致定子绕组磁链饱和，严重时将使电机无法运行。因此，控制过程中必须对定子磁链幅值进行限幅，限幅方法为：当磁链幅值没有超过电机额定定子磁链幅值时，采用最优转矩空间电压矢量选择表，系统完全不干预；一旦检测到磁链幅值超过额定值，采用磁链限幅条件下的空间电压矢量选择表，该选择表首先要满足把磁链减小到额定值内的要求，同时也要考虑转矩的控制要求，实际上就是传统永磁同步电机空间电压矢量选择表中减小磁链幅值的部分。其控制流程图如图所示。

这里的转速可以采用编码器获得，也可以用转子磁链来获取并实现无速度传感器状态。

二、仿真模型

在MATLAB/simulink里面验证所提算法。采用和实验中一致的控制周期1e-5，电机部分计算周期为5e-7。仿真模型如下所示：

2.1给定转速与实际转速

2.2给定电磁转矩与实际电磁转矩

2.3给定定子磁链与实际定子磁链

总结：永磁同步电机转子磁链为定值，采用 DTC 时可以省去磁链控制环节，提出了一种最优 DTC 控制方法，和传统 DTC 相比有如下特点：

1）省去了磁链控制环，磁链幅值能够随着负载转矩的情况自适应变化，减小了励磁电流大小；

2）仅根据转矩控制要求选择最优电压矢量，减小了开关次数，降低了开关损耗；

3）保持了 DTC 动态响应快的优点，同时具有更好的稳态性能