永磁同步电机直接转矩控制介绍.docVIP

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DTC-PMSM has obvious control characteristics, which is different from DTC of asynchronous motor and also different from DTC of general synchronous motor. This paper analyzes the model of PMSM and control theory of DTC, then introduces several intelligent control algorithms applied in DTC speed-adjusting system. The research direction of DTC in PMSM in future is expected.Keywords: Direct Torque Control, Permanent Magnet Synchronous Motor, Speed-adjusting System1 引言直接转矩控制是由德国Depenbrock 教授和日本Takahashi 教授在20 世纪80 年代中期针对异步电机的控制分别提出1，2。它具有以下方面的特点3: 直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电机的磁链和转矩，无需为解耦而简化数学模型，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算；使用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其物理量，从而使问题变得简单明了；直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以对定子磁链进行观测，大大减少了矢量控制中控制性能易受参数变化影响的问题；强调的是转矩直接控制和效果，主要包括两层含义：直接控制转矩和对转矩的直接控制。近年来，永磁同步电机(PMSM) 以其结构简单、体积小、重量轻、高转矩/惯性比、高效率等优点，在数控机床、工业机器人以及航空航天等领域得到日益广泛的应用。国内外有不少学者开始尝试永磁同步电机直接转矩控制的理论研究4。随着现代控制技术的发展，现代控制理论的各种新思想开始应用到永磁同步电机直接转矩控制系统中。在分析直接转矩控制性能的基础上，本文综述了最近研究十分活跃的模糊控制、神经网络控制、滑模变结构控制等在直接转矩控制系统中的应用。2 PMSM直接转矩控制理论概述2.1 永磁同步电机模型在文献5中，作者提出了PMSM的直接转矩控制理论。建立如图1所示的PMSM矢量图，其中坐标系是固定在转子上的旋转坐标系，坐标系是固定在定子上的旋转坐标系。PMSM具有正弦形的反电势波形，其定子电压、电流也应为正弦波。假设电动机是线性的，参数不随温度的变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，且转子无阻尼绕组，那么可以导出在定子旋转坐标系下永磁同步电机的电磁转矩方程为: (1) 由于永磁同步电机转子磁场恒定，所以转子磁链幅值恒定， 当定子磁链幅值保持恒定时， 转矩变化的表达式为: (2) 由上式可知， 当定子磁链幅值保持恒定为一适当的值时，电机的电磁转矩变化正比于定、转子磁链夹角的变化。在恒定负载、稳态运行时，定、转子磁链都以同步速旋转， 此时转矩角为恒定值； 瞬态时，则因定、转子旋转速度的不同而不断改变。因此通过对逆变器开关状态的适当选择，保持定子磁链幅值近似恒定， 控制定子磁链空间矢量旋转速度， 即快速改变定、转子间的磁链夹角， 就能控制永磁同步电动机的输出转矩。图1 不同坐标系下电机矢量图Fig. 1 PMSM Vectorgraph in Different Reference Frame2.2 控制原理直接转矩控制技术采用空间电压矢量分析法直接在定子坐标系上计算与控制电机的转矩，应用定子磁场定向，借助于离散的两点式（band-band）控制，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制。在直接转矩控制中， 电压空间矢量是一个非常重要的物理量。逆变器的六个工作电压状态，给出六个不同方向的运动电压空间矢量，它们周期性的顺序出现，相邻两个矢量之间相差60，电压空间矢量幅值不变。两个零开关状态给出两个零电压空间矢量，它们位于六边形的中心。适当的选择电动机的空间电压矢量，可以使磁链的运动轨迹近似为圆形。电压空间矢量的选取原则是该矢量能使定子磁链在一个控制周期内改变尽可能大的角度，即转矩变化最大。直接转矩控制系统原理框图如图2。其整个系统由磁链闭环和转速转矩闭环两个控制环组成。它的工作原理是：控制系统根据电机三相电流和电压值，利用磁链模型和转矩模型分别实时估算电机的磁链、转矩大小及电机定子磁链所在扇区，之后将给定转矩（由速度估算经PI整定调节输出）和给定磁链分别与实时计算值进行滞环比较，最后根据比较值的控制要求，合理选择逆变器的开关矢量，使电机能按控制要求调节输出转矩，最终达到调速目的。图2 PMSM直接转矩控制系统框图Fig.2 PMSM Direct Torque Control System Frame2.3 PMSM直接转矩控制的弱磁控制随着稀士永磁材料的发展，高性能的永磁材料应用到电机中，使得永磁电机的抗去磁能力增强，为电机的高速弱磁运行提供了可能性。永磁同步电机直接转矩控制系统能够直接控制定子磁链， 因此其弱磁控制变得很容易，且比矢量控制简单。永磁同步电机的弱磁控制的基本思想是利用电机直轴电枢反应， 使电机的气隙磁场减弱， 达到等效于直接减弱励磁磁场的控制效果。文献6首次将内永磁同步电机直接转矩控制拓展到弱磁范围，具有对电流母线电压的最大利用和控制受电机参数影响小等优点。2.4 无传感器PMSM直接转矩控制系统速度是实现直接转矩控制的一个重要参数，为提高系统的控制性能， 应采用速度闭环控制， 因此需要检测电机的转速。传统的电机转速检测装置多采用测速发电机或光电编码器，而这些速度传感器的安装、维护、非线性和低速性能，特别是测量的精确性直接影响了直接转矩控制的效果。无传感器技术是目前交流传动的一大发展方向，实现无速度传感器可以使系统的成本降低、可靠性高， 且适用于一些特殊的应用场合。因此，越来越多的学者将目光放在无速度传感器控制系统的开发上。针对凸极永磁同步电机提出了低速时利用高频信号注入和高速时利用反电动势相结合来估算永磁同步电机转子位置和速度的方法， 其估算原理简单明了7。其仿真结果表明提出的方法无论在低速还是高速都能有效地估算永磁同步电机转子位置和速度，能很好地跟踪转子的实际位置和速度。3 先进控制算法在DTC-PMSM的应用直接转矩控制在结构上特别适合于全数字化，对处理的实时性、快速性要求很高，近年来各种高性能硬件的推出，为直接转矩控制系统性能的改进提供了硬件基础，使复杂的控制规律和算法能够得以快速高效地实现。3.1 模糊控制近年来，已有学者将模糊控制技术用在PMSM 的DTC 控制中，文献8使用模糊控制器，改进转矩响应速度和减小转矩脉动；文献9将模糊和神经网络结合提高系统抗干扰能力和控制精度。文献10提出了采用模糊PI 自适应速度调节器的模糊控制方法，该方法通过分析经典PI 调节器的阶跃响应并进行优化，而得到模糊自适应PI 速度调节器的模糊控制规则表，对系统的起动速度有一定改善。文11在模糊控制的基础上，采用分段解析函数取代传统的模糊控制规则表，并充分考虑零矢量的作用与运用，实现了系统的实时控制，提高了系统的动态响应能力，该方法容易实现。文12研究了PMSM模糊DTC控制理论，特别在模糊控制中加入了零矢量控制，对模糊控制规则进行了简化。其主要思想是：在异步电机的控制中，零电压矢量加入可以迅速改变转差频率，使为负；而在PMSM 控制中，无转差概念，只与有关，当施加零电压矢量时，近似不变，基本保持不变(略有减小)。因此，可利用零电压矢量来保持转矩基本不变在模糊控制规则表中， 当 和 很小时，选择零电压矢量输出，保持转矩和磁链不变，零矢量选择比选负电压矢量对转矩和磁链产生脉动小，能较好地抑制转矩脉动。最后通过了仿真实验与一般DTC 控制进行了比较，部分结果如下图3，4。(a) 一般DTC控制 (a) Classic DTC Control (b) 模糊DTC 控制 (b) Fuzzy DTC Control图3定子磁链轨迹Fig.3 Stator Flux trajectory (a) 一般DTC控制/ (a) General DTC Control (b) 模糊DTC 控制 (b) Fuzzy DTC Control图4转矩瞬态波形Fig.4 Torque Transient Wave 由此，模糊控制技术的应用能减少控制误差和转矩脉动，提高系统的动态响应能力。模糊控制方法易于实现，可以用于状态选择器设计、控制器设计及定子电阻辨识等。3.2 滑模变结构控制滑模控制现被应用到PMSM的观测器设计13，14。文15结合滑模控制和神经网络各自的优点，对永磁同步电机提出了一种基于神经网络的自适应滑模控制方案。对PMSM系统的位置控制问题提出一种基于神经网络的自适应滑模控制策略。通过神经网络的在线学习来实时估计系统的不确定性界限，从而控制系统在滑动平面上的运动，减弱“抖振”现象。利用边界层法将控制量在开关点附近连续化，可以进一步减弱“抖振”现象。文16永磁同步电机滑模变结构直接转矩控制根据指数趋近律来设计滑模控制器，能改善系统正常运动段的动态品质；用连续函数替代滑模控制器中的开关函数，能有效减小高频抖动；采用转矩和磁链两个滑模控制器替代传统直接转矩控制的滞环调节器，并用其输出的两相静止坐标系下的电压实现空间电压矢量调制，保证了功率变换器开关频率恒定。其部分仿真和实验结果如下图5，6。 （）转矩响应(a) Torque Response （）转矩T响应局部放大(b) Enlarged Torque response图5 传统DTC下转矩给定从5Nm到5Nm再到5Nm跃变时转矩响应和转矩局部放大Fig.5 Torque variation from 5Nm to 5Nm and back to 5Nm and the enlarged torque response for the classical DTC（a）转矩T 响应(a) Torque Response（）转矩T响应局部放大(b) Enlarged Torque response 图6 滑模变结构控制DTC下转矩给定从5Nm到5Nm再到5Nm跃变时转矩响应和转矩局部放大Fig.6 Torque variation from 5Nm to 5Nm and back to5Nm and the enlarged torque response for the sliding mode DTC可见，永磁同步电机滑模变结构直接转矩控制能克服传统DTC 转矩脉动较大的主要缺陷，保持传统DTC 固有转矩响应迅速的优点，有效改善DTC 系统的动静态运行性能。而滑模变结构控制的“抖振”现象也可以通过控制律的设计和其他方法的交叉应用得以减少。3.3 神经网络神经网络优越的逼近能力和自适应、自学习特性，可以在PMSM的速度和位置的观测上找到用武之地。文17将神经网络技术与观测器设计理论相结合，对PMSM系统提出一种基于神经网络的非线性观测器设计方法，利用Lyapunov 定理，设计神经网络在线自适应学习规则，并证明了所提方法设计的状态观测器是稳定的。文18介绍了一种基于递归神经网络的永磁同步电机矢量的控制的方法，该神经网络速度控制器具有在线自调整的功能，对电机参数变化和负载扰动具有一定的鲁棒性。文19提出一种新的径向基函数神经网络控制器，给出了神经网络控制器的结构设计、样本选取及训练方法。利用系统中的开关表作为导师对径向基函数神经网络控制器进行训练，实现了永磁同步电机直接转矩控制的径向基函数神经元网络输出矢量选择。该控制器可以简化获得输出电压矢量的过程，并具有并行计算速度快、转矩响应迅速的性能。文中，将径向基函数网络应用于永磁同步电机直接转矩控制系统，用其来选择逆变器的开关状态。仿真结果表明经过训练后，径向基函数神经网络控制器完全可以取代查表方式的永磁同步电机直接转矩控制的输出电压矢量选择器。这样，可以很容易地通过数学的方式获得输出电压矢量。神经网络方法可以很好的应用到无速度传感器技术、定子磁链观测及速度控制器设计，有效地提高辨识精度和控制精度。4 总结永磁同步电机直接转矩控制系统领域今后研究的方向仍是提高转速估计的精度及动态响应，增强对参数变化的鲁棒性以及获得更高的调速范围。先进控制算法的应用大大提高了系统的静动态响应特性，特别是几种算法的交叉应用将克服一种算法的不足，使系统整体性能得到提高。今后的研究将主要有两个方面: 一方面是无传感器高性能控制的实现；另一方面是先进控制算法的应用及交叉应用，包括神经网络、模糊控制等方法。永磁同步电机直接转矩控制技术的相对成熟将会促进其后产业化的实现。参考文献1 M Depenbrock. 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