永磁同步电机转矩预测控制的磁链控制算法

1、第21期朱吳等：永磁I妙电机转矩预测控制的磁琏控制乳法#中国电机工程学报Proceedings of the CSEE文章编号：0258-8013 (2010)21-0086-05中图分类号：TM351 文献标志码：A 学科分类号：470-40永磁同步电机转矩预测控制的磁链控制算法朱昊，肖曦，李永东(淸华大学电机工程与应用电子技术系，北京市海淀区100084)Stator Flux Control Scheme for Permanent Magnet Synchronous MotorTorque Predictive ControlZHU Hao, XIAO Xi, LI 伽gdong(D

2、epartment of Electrical Engineering, Tsmghua University. Haidian District. Beying 100084, China)第21期朱吳等：永磁I妙电机转矩预测控制的磁琏控制乳法#第21期朱吳等：永磁I妙电机转矩预测控制的磁琏控制乳法89ABSTRACT: Comparing to conventional direct torque control scheme (DTC), predictive direct torque control algorithiu can effectively improve the con

3、trol accuracy of motor torque and stator flux. Direct torque control focuses mainly on torque control perfbnnance. Due to the approximation in state flux analysis, there might be great deviation in flux control, which will influence motor performance A new stator flux control scheme is proposed, and

4、 the incremental part of stator flux is recalculated Snnulation and experiment results show that the proposed method achieves more accurate stator flux control performance without influence torque control The overall performance of the motor is improved.KEYWORDS: direct torque control (DTC). predict

5、i-e control; pemianent magnet synchronous motor (PMSM)摘要；与传统的H接转矩控制相比，采用转矩预测舜法的H 接转矩控制能够有效提高电机转矩和定子磁链的控制粘度。 现有算法般在计算过程专注尸转矩增显的控制，而对定子 險链的增迫作近似处理，山此导致较人的磁链控制僞崔影 响了电机的控制性能：为此提出-种定子磁链控制策略.对 转矩预测控制中泄了磁链增迪进行r改进处理。实验结果衣 明在保证转矩控制效果的前捉下.所提方法可进-步提高 定子磁链的控制榕度，改善电机的整体控制性能。关键词：克接转矩控制：预测控制：永磁同步电机o引言l'i接转炬控?|

6、i'J(direct torque control. DTC)是一 种高性能的交流电机控制方法,它通过控制定子磁 链的运动规律实现对转矩的it我控制g,圧木的ri. 接转愆控制是采用幽链与转炬双滞环Bang-Bang控 基金項目：国家863鳥技术ttl!(2007AA(MZ216).The National High Technology Research and Development of China 863 Program C007AA04Z216) 制叫 利用逆变器开关合成得到的8个电压空间矢 届，通过査农选择介适的电压欠飛控制定了磁链矢 届幅值增减、旋转方向及旋转快慢等，以获

7、得电机 转矩与磁链的快速控制。与传统的欠吊控制相比， 自接转矩控制八何控制方式简单、转矩响W快、便 J数7化实现等优点，不仅在异步电机控制领域仃 着广泛的应用，而且也被用到很多永磁同步电机应 用场合。直接转矩控制基对磁链和转矩的滞环控制, 根据滞环比较结果采用査衣的方法选择基木电压 欠吊，这会产生转矩与磁链脉动过人的问题。为了 减小转矩脉动，国内外学者进行了广泛的研究，提 出了许多白效的方法O欠彊细分法通过増加矢最的 个数來减小转知脉动【切，另右一起丄献细化了零矢 届的作用但欠鼠个数越多，矢届衷越细分， 控制方法就越复杂，控制性能无法得到保证。有些 学者将空间矢杲调制技术和肖接转矩控制相结介

8、应用于永磁同步电动机控制叫叫但是这些方法仍 然是廉r控制定了磁链旋转的滞环方法，转矩的控 制性能仅礒pi调节器來调整，一定程度上降低了 n 接转炬控制快速响应的特性。为了进一步提高转矩 控制精度，文献17提出了一种用于异步电机"接 转矩控制的预测控制方法,文献18提出了一种用 永磁同步有接转矩的预测控制方法。不同传统 直接转矩控制的責表方法，文献1718的预测控制 方法采用了新型区域电斥矢炭表來进行电斥矢最 选择，极人地扩人了电压的可选择范阳；同时，转 矩和磁链的参考值与实际值之I-d的汉签也被I入 到电压欠吊的计算过程中，取得了较好的电压与磁 链控制效果。文献18在进行转矩预测控制

9、时对定 子磁链的增帚作近似处理，由此导致r磁傩控制偏 差，为此本文提出一种改进的定子磁链控制算法， 以期获得更高的定子磁链控制粘度。1永磁同步电机转矩预测控制无论传统的直接转矩控制还是欠帚细分的直 接转矩控制方法都使用冇限的电压欠吊來驱动电 机,随着施加电压的不同,在一个控制周期内电机 的电磁转矩和磁链的增彊都仃固定的值，并J1不可 再精细调幣，这就使得11接转矩控制虽然仃较快的 响应速度，但是稳态时脉动比较人。理论匕通过6 个慕本欠吊和零电斥矢磺町以合成任意幅值和相 位的电压欠駅，通过选择介适的合成电压欠眩能够 対电机的转竝和磁链进行更为桥确的控制。图1是空间电斥矢最分布的示意图。图1将整

10、个欠最空间划分为4个区域，以定子磁链欠彊严 的位置作为参考分别为区域17。按照臣接转矩控 制的思想,当变频器发出的电压矢鼠町落在区域1 时，会使得定子磁链幅值和电机的电磁转矩同时増 加，电II、矢最越靠近严，定子磁链增长的速度越快; “iU、血二$心丄907 电血仏知幻 在梵他几个区域，电压矢灵的作用可以进行类似的 分析，表1给出了转矩和磁链的变化与电斥欠吊:位 置Z间的关系。文献18介绍了II接转矩预测的原理。在一个图1电压矢星区域图Fig. 1 Region diagram of voltage vectors表1转矩和磁链区域电压矢呈表Tab. 1 Region selection fo

11、r torque and flux control定子电險转矩T.正向農转控制区城ttJbnMJbn区城1岐小堆加区域2减小X域3减小减小区域4D SP控制周期内转矩増杲与电斥矢最Z间的数学 关系如式所屆预测控制屮设定电压欠帚为固泄 幅值，通过调整电压矢吊的角度來实现对电机输出 转矩的增减调节。根据式（1），由转矩的增駅计算得 到的电压矢最预测控制角如式所示。根据直接转 矩控制的思想,利用转矩、1H8参考值与指令值的 之间的滞环比较结果,通过査区域电压欠量表判断 卜 一个控制周期内所需的电斥欠杲应落在图1屮哪 个区域，故终计算出实际的电床欠战控制角。兀=（今叭©叭十Pn叫®

12、讥+（-辛兀-今叱W2 =|arcsin兀一久丨叭 K'cos尸一心 suy）十式中：快、护分别为定子和转子磁链矢彊：足、4 分别为定子电流欠帚和电压欠壮：八人分别为定子 储锻欠杲相位角和电斥欠起超前定子磁链的角度； 人为电碗转矩增置；Pn、&、Z和Q分别为电机的 极对数、定子电阻、电感和转子电角速度；人、4 分别为DSP的控制周期和II：零电压欠帚作用时间。在文献18所提方法中,求解控制角久时需要用 到定子磁链标彊的増彊皿 文献18近似认为必 等于定子磁链矢试増u； 的福仙A旳，但电机任 实际运行过程中这2个变帚的值并不一致，有时决 至会何很人的差界，由此造成幽链幅值増录估计

13、的 偏差,进而影响到电机的控制性能,为此需要进 步细化对必的处理。2定子磁链控制策略电机的定转子磁链欠駅冇数学关系：申产叶 s，如果忽略定子电阻匕的斥降，在一个控制周期 内町以近似认为则式（1）可改写为 U （yFs- PJJ 0 “Jk -（乡 A + 今叱-W =今（呎-“）0叩k-+今叱必）二y-Fr 0（牛人 + 今叱 FrX =图2给出了定子磁琏矢最増斎戶与定子礎链 矢!|<FsZ|hJ的位置关系。根据上文的分析，近似认 为欠彊池与叫方向相同，则4化超前池的角度为 八J：是在一个很短的控制周期内磁链幅値的标帚 增量可以近似为产1*1 cos儿代入式可得由此推导得到RA =| a

14、rctaiiI忆 II 叭 I cos（匕-弘）牛吆|叭|sm© -乙）-j： II（5）y-lFr II 趴 I cos© -色）式屮乞、0分别为定了磁链欠届和转子磁链欠鼠 的相位角。图2定子磁链矢呈增呈计算Fig. 2 Calculation of stator flux increment几为対转矩和磁链进行控制时的电斥欠駅预测 控制角（绝对值）,即预测电压矢量超前定子磁链矢 駁的角度。当处在不同的区域时，实际的电压欠彊 控制角计算为：1）区域1,W;2）区域2,Ar = 7i-2： 3）区域3,"= -兄；4）区域4,才=一兀+兄。通过 上文的分析可知，当

15、电斥欠彊落在区域的边缘位置 时，会引起转矩或是倉链的迅速跳变,这不利于对 转和或磁链的平滑控制。若计算得到的久超出了区 域町以选择的电用欠彊范閑，则选取区域的边界值 作为预测控制角。以区域1为例:卄人290。-&2, 则选取久=90。一色：ZU < 6>i,则选取久=兔。图3 给出了基区域电乐矢灵表的ri接转矩预测控制 的控制系统框图。首先根据转矩和幽链滞环的比较 结來判断预测控制区域，并利用式（5）计算电压矢量 预测控制饬，最后将电压欠彊的控制指令输出到逆 变器以发出介适的驱动电压来控制电机。图3基于区域电压矢呈表的 转矩预测控制系统框图Fig. 3 Scheme dia

16、gram of torque predictive control based on area voltage vector table3实验结果为了验证本文提出的定子磁链控制策略，対文 献18提出的血接转矩预测控制和本文提出的幽琏 控制策略进行了仿真和实验研究。仿真时定子磁链的指令值设定为0.142 Wb 速度指令值为0.25倍的额定转速。图4为釆用文 献18方法得到的定子磁链仿真结果可以看到， 在电机起动阶段定子磁链在很短的时间内就上升 到指令值，磁链控制的响应速度比较快；而在稳态 时定子磁链存在一定的脉动，控制性能仍然不是II 常理患。0.05110.00.10.2f/s图4采用文献18

17、方法的定子磁链仿真结果Fig. 4 Stator flux using original scheme in 18图5为采用木文方法得到的定子磁链仿真结 果。可以看到，起动阶段定子磁链上升速度很快， 与图4相比采用本文磁链控制方法的响W速度更 快，nm在穏态时的控制粘:度也仃了较为明显的 改善。015卜十 计一忙廿= itT j亠八qW 0.100.0511000.10.2f/s图5采用改进方法的定子磁链仿真结果Fig. 5 Stator flux using modified scheme实验选用一台额定功率1.5 kW、额定转速 1 500 r/miii的内埋式永磁同步电机，电机极対数为

18、4O使用TN1S320LF2812 DSP控制平台，定子磁链 的参考值定为0 107 Wb,速度指令值为0.1倍额定 转速。图6、7分别为采用文献18和本文所提方法 观测到的定子磁链，町以看到泄子磁链的脉动被控 制在一个较小的幅度范閘。对比图6和图7可以发 现，采用本文算法时定子磁链的控制蒂度冇了进一 步的提高。图6采用文献18方法的定子磁链实验结果Fig. 6 Stator flux using original scheme in 18图7采用改进方法的定子磁链实验结果Fig. 7 Stator flux using modified scheme图8为采用本文算法的电机速度实验波形，可

19、以看出电机的速度很好地稳定在0.1倍额定速度， 与速度的控制指令值一致。0.2 pp 0.1 卄nn -5 -r f 乂 w.«00IAII000.10.20.3f/s图8电机转速(标幺值)Fig. 8 Motor speed(p.u.)4结论木文研究了基J：区域电压欠駅表的永磁同步 电机直接转矩预测控制方法.根据电机转矩与电压 欠彊间的数学关系，通过控制逆变器的输出电斥能 够实现对电机转矩的实时控制，同时文中针对预测 控制中磁链计算存在的偏差捉出了改进方法，并进 行了仿真和实验验证，得到以卜结论：1) 由电机数学模型推导得到的转矩与电斥欠 量间的数学关系表明,利用逆变器输出的电压矢

20、量 可以实现电机转矩增磺的務确求解。预测控制算法 通过调节固定幅值的电压欠灵的欠吊角实现了对 电机转矩的精确控制。2) 在电压欠量控制角的预测计算中以定子磁 链欠吊的增处为变磺，解决了原预测控制算法因対 定子磁链幅值增灵采取近似计算而造成的幽链控 制梢度不高的问题。3) 基J：直接转矩控制的原理对电压欠磺的作 用区械进行划分，当电压欠届处在不同的区域时对 转矩和定子磁链有不同的增减效果，文中给出了不 同区域中电压欠最实际控制角的计算策略。4) 仿真和实验结果农明，新的预测控制策略 在保还电机转矩控制效采的前提卜，能够仃效提鬲 対定子磁链的控制精度，进一步改善电机的整体控 制性能。参考文献1 D

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