摘要：永磁同步電機（PMSM）的大量使用使得對其研究越來越多，采用直接轉矩控制（DTC）的PMSM因其良好的響應性，容錯能力，結構簡單而被大量使用。但是其本身特點也會造成轉矩脈動，多年來對PMSMDTC轉矩脈動的抑制研究也出現不少成果，各有優(yōu)缺點，本文提出一個基于滑模控制（SMC）和空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術的對PMSMDTC轉矩脈動抑制的新方法，采用滑?？刂迫〈鷥蓚€滯環(huán)比較器，得到交直軸參考電壓，再用SVPWM技術調制參考電壓。這樣就將滯環(huán)比較器的帶寬導致的轉矩脈動解決了，還提高了精準度和響應速度，也能減小轉矩脈動，仿真實驗結果也證明了此方法的有效性，但是該方法也有一些缺點。還發(fā)現PI控制器的參數對系統(tǒng)性能有重要影響。

關鍵詞：永磁同步電機滑?？刂瓶臻g矢量脈寬調制直接轉矩控制轉矩脈動抑制PI值

1.前言

這些年永磁同步電機（PMSM）的使用越來越廣泛，在制造領域，在汽車行業(yè)，甚至有些動車也使用永磁同步電機。原因是PMSM其獨特的有點，功率密度大，材料環(huán)保，結構簡單，控制容易。在PMSM的控制中，直接轉矩控制（DTC）是重要的組成，DTC技術起步相對于磁場定向控制（FOC）晚，但是擁有控制簡單，容錯能力強，響應速度快等優(yōu)點。DTC也有其缺點，特別是傳統(tǒng)的PMSMDTC采用滯環(huán)比較器來控制磁鏈和轉矩，造成了不可避免的轉矩脈動，再加上其他原因造成的轉矩脈動，DTC控制效果沒有FOC效果好，但是這些年在抑制DTC脈動方面，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，有細分區(qū)間的，有增加基本矢量的，有使用神經網絡控制的等等，其中很多要么沒有去掉滯環(huán)比較器，要么非常復雜，或者效果不好，本文使用SMC與SVPWM技術來減小PMSMDTC轉矩脈動，即去除了滯環(huán)比較環(huán)節(jié)也不大幅度增加系統(tǒng)復雜程度，仿真結果也顯示本方案對轉矩脈動抑制效果很好。

2.PMSMDTC技術及其轉矩脈動原因

直接轉矩控制技術產生于上世紀80年代，最初運用在異步電機控制上，之后才運用在永磁同步電機上。我們可以通過圖2-1簡單分析其基本原理，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，兩個分量可以控制定子磁鏈的幅值和轉速，我們知道電氣時間常數比機械時間常數小很多，所以我們認為在改變定子磁鏈的時候，轉子位置幾乎沒變化，也就能改變δ_ST的大小。根據

我們可以知道控制了磁鏈的幅值和轉速就能控制電磁轉矩。這就是PMSMDTC原理。實際操作的時候是采用滯環(huán)比較控制磁鏈的幅值和轉矩幅值（磁鏈轉速意義上等同于電磁轉矩），設定一個定子磁鏈范圍和一個電磁轉矩范圍（上下限），每當磁鏈或者轉矩碰到限值時就會觸發(fā)開關進行一次電壓選擇，達到控制電磁轉矩的目的。

DTC轉矩控制的轉矩脈動原因很多，主要的有其控制策略采用的滯環(huán)比較本身的帶寬就導致磁鏈和轉矩不是一個精確值，而是一個范圍，并且?guī)挷荒芴』蛘咛?，太小會使得開關頻率增加，損耗增加，可控度下降，甚至引起更嚴重的轉矩脈動，帶寬太大就直接增加了脈動幅值。在低速時效果也不好，定子電阻分壓較大，不能忽略。而DTC中計算磁鏈時把定子電阻忽略了。其他原因還有硬件測量精度問題，電機電器參數實時改變問題，控制精度問題等。

3.SMC技術

滑?？刂疲⊿MC）也稱滑模變結構控制，是上世紀50年代由前蘇聯(lián)Emelyanov等人提出，經Utkin等人進一步研究而發(fā)展起來的一類非線性控制系統(tǒng)的綜合設計方法。變結構是通過切換函數來實現的。一個控制系統(tǒng)可以設計出若干個切換函數，當系統(tǒng)的狀態(tài)向量所決定的切換函數值隨著它的運動到達某特定值時，系統(tǒng)中一種結構轉變成另一種結構?；？刂票举|上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現為控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)“結構”隨時間變化的開關特性。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、高頻率的上下運動，即滑動模態(tài)或“滑?！边\動。這種滑動模態(tài)是可以設計的，且與系統(tǒng)的參數及擾動無關。這樣，處于滑模運動的系統(tǒng)就具有很好的魯棒性，能夠快速響應，物理實現簡單等特點，但是滑模控制也有抖動問題，會減小系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4.SVPWM技術

SVPWM即空間矢量脈寬調制，其基本原理是基于平均值等效原理，即在一個開關周期T內通過對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)域相關的兩個基本電壓矢量來合成u_sref，使得

實際運用中會增加0矢量進去，因為有時時間不匹配。使用SVPWM能顯著的提升DTC控制性能和減小轉矩脈動，因為SVPWM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矩的，而且開關頻率還恒定。SVPWM也會有其他原因造成的轉矩脈動，硬件問題，參數準確問題，測量精度與控制精度問題等。

5.仿真及討論

使用控制變量對比實驗，不變量為仿真時間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，導通電阻1e-3Ω，Tf：1e-6Tt：2e-6；電機模型3相隱級式，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126.966，轉矩常數1.05，轉動慣量0.0008，黏著系數0，極對數4，其余均為0，轉子磁鏈定向于A軸；負載在0-0.2s為0，在0.2s-0.4s為1.5N.m;轉速600r/min。變量為控制策略，一個使用傳統(tǒng)PMSMDTC控制方法，另一個使用SMC-SVPWM-PMSMDTC控制方法，實驗結果采集轉子轉速，定子磁鏈和電磁轉矩波形圖進行對比分析。

首先進行傳統(tǒng)PMSMDTC實驗，首先是仿真建模，如圖5-1所示，給定轉速，通過PI調節(jié)得到需求轉矩（P=0.1,I=5），磁鏈給定，兩個滯環(huán)比較器的帶寬為0.004，開關表沒有0矢量，該系統(tǒng)為有速度傳感器控制。負載轉矩在0.2s從0升到1.5N.m。

仿真結果如圖5-3到5-8所示,5-3、5-5、5-7來自傳統(tǒng)PMSMDTC仿真結果，5-4、5-6、5-8來自SMC-SVPWM-PMSMDTC仿真結果，從圖中我們可以看出相對于傳統(tǒng)的PMSMDTC控制，SMC-SVPWM-PMSMDTC控制的速度響應更快，轉速跟隨效果更好，轉矩脈動抑制的效果明顯，磁鏈脈動也有減小，提升了整個電機系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，原因就在于滑?？刂坪涂臻g矢量脈寬調制技術的結合運用，以滑?？刂迫〈鷾h(huán)比較器，使得帶寬導致的主要脈動消失，SVPWM精確構造需要的定子電壓，因此能大幅度的減小轉矩脈動和磁鏈脈動。不足點也有，就是轉速的超調量過大，負載變化時，轉速變化相對于傳統(tǒng)DTC更大，轉矩的超調量也大，磁鏈上升慢，其原因主要是滑?？刂频拿舾行院投秳樱€有PI控制器的參數設置問題，好的PI值參數會大幅度提升系統(tǒng)性能，反之則會大幅度減弱系統(tǒng)性能。

圖5-3

圖5-4

圖5-5

圖5-6

圖5-7

圖5-8

6.結論

傳統(tǒng)PMSMDTC控制轉矩脈動明顯，但是響應快，改進后的SMC-SVPWM-PMSMDTC有效的抑制了轉矩脈動，并且還改善了磁鏈脈動和轉速響應時間，新系統(tǒng)的缺點是敏感，來源于滑模控制特性，在負載改變或者開始時超調量過大，磁鏈響應慢。

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