摘 要：针对永磁同步电机直接转矩脉动比较大的问题，研究直接转矩的控制算法。通过对转矩的脉动原因进行分析，设计滞环改进的矢量细分预测直接转矩控制算法，并通过仿真与传统的控制算法进行对比，滞环改进的矢量细分预测直接转矩控制对磁链脉动的减小有很好的改善作用。

关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；转矩脉动

基金项目：2017年重庆市教委科学技术研究项目（项目编号：KJ1737460）

交流伺服控制系统的永磁同步电机因体积小、结构简单等优点广泛应用在电动车、铁道牵引等领域[1]。在传统直接转矩的控制中，主要通过滞环控制磁链和转矩，由于在一个采样周期内只作用一个基本电压矢量，因此对于数字实现的滞环控制器来讲具有固定的采样周期[2]，但是误差超出滞环设置宽度并且当前所选电压矢量作用完一个采样周期后，才会出现相应开关状态进行切换。因此，减小直接转矩控制系统中出现的转矩脉动对于交流伺服控制系统的研究具有十分重要的意义。

本文针对永磁同步电机传统直接转矩控制脉动较大的缺点，研究基于滞环改进的矢量细分直接转矩控制算法，并进行仿真验证。

1 控制系统时序分析及预测策略

直接转矩控制过程中，通过某一时刻t的电压和电流可以确定定子磁链与电磁转矩，并根据DTC控制策略得到相应的电压矢量[3]。理想状态下，电压矢量即为t时刻电压矢量，并在（t+1）时转矩与磁链达到给定值。然而，釆样过程及数学计算都会产生一定误差，电压矢量的期望值都会施加在一定的延迟之后，即（t+1）时施加，直到在（t+2）时转矩与磁链才能够达到给定值，转矩与磁链的响应总是滞后一个数据处理过程带来的延迟时间，降低永磁同步电机的运行性能。针对以上控制策略可能出现的问题，本文采用一种基于预测方法[4]的直接转矩控制策略。可根据t时刻的电压电流值推导出定子磁链与转矩值，结合永磁同步电机数学模型，预测得到（t+1）时刻的磁链与转矩值，进而选出合适的电压矢量，解决时间延迟带来的转矩与磁链脉动较大的问题。

2 转矩和磁链的预测算法

2.1 基于滞环比较器的预测直接转矩控制

含零电压矢量直接转矩实现方案中转矩滞环输出则有3种状态，当转矩给定与实际转矩差值大于滞环宽度即Te*-Te>△Te，转矩滞环输出τ=1，表示要求增大转矩；当转矩给定与实际转矩差值小于滞环宽度即Te*-Te<△Te，转矩滞环输出τ=-1，表示要求减小转矩；当转矩给定与实际转矩差值的绝对值小于滞环宽度即|Te*-Te|<△Te，转矩滞环输出τ=0，表示要求维持当前转矩不变。

2.2 基于矢量细分的预测直接转矩控制

传统的直接转矩控制算法空间电压矢量的选择非常有限只有6个，容易造成转矩的快速增加或减慢使得转矩的脉动超过滞环宽度的设定值，使电机产生一定的噪声或剧烈震荡，影响系统的安全稳定运行。矢量细分是将6个基本的空间电压矢量细分为12个空间电压矢量得到改进的开关表。为了方便电压矢量的选择，将整个空间分为扇区范围为300的12个扇区，分别为θ1-θ12。

2.3 基于滞环改进的矢量细分直接转矩控制

以上分别介绍了两种直接转矩控制方法的改进，即基于滞环比较器的改进方案和空间电压矢量的改进，两者的目的用于减小转矩和磁链脉动，如果将以上两种改进方法结合起来作用于预测直接准据控制中可以更好的减小转矩和磁链脉动，使得电机控制的更加精确。

3 仿真结果分析

为了分析不同控制算法减小转矩脉动的效果，对各预测直接转矩控制方法进行了Matlab建模仿真。仿真过程中的电机参数如表1所示。

3.1 预测直接转矩控制仿真

预测直接转矩控制需要对磁链和电流分别预测估算，为了观察预测算法的改进效果，仅对磁链做了预测估算，取预测时间为10us。可以看出，电机的定子磁链基本在给定的0.24Wb上下波動，脉动幅度为±0.0025Wb。从电机的输出转矩来看，当给定转矩是2N·m的时候，转矩在的值在1.1N·m-2.9N·m之间波动，波动幅度为±0.9N·m，对比传统直接转矩控制转矩脉动幅度减小了0.2N·m。

3.2 改进的预测直接转矩控制算法仿真

1）基于滞环比较器的改进的预测直接转矩控制仿真。将基于滞环比较器改进的算法作用在预测直接转矩控制中对其进行了仿真，从仿真结果来看，基于滞环改进的预测直接转矩控制转速波形基本和之前预测直接转矩控制基本相同，但是转矩脉动较预测直接转矩控制脉动有所减小，转矩脉动幅度为±0.25N·m左右，减小了0.15N·m。磁链波形也有所改善，脉动范围虽然变化不大，但是磁链超出滞环的部分的时间有所减少，平均值更加接近给定值。

2）基于矢量细分的预测直接转矩控制仿真。将基于矢量细分的直接转矩控制作用在预测直接转矩控控制模型上进行仿真，仿真结果图1所示。矢量细分的预测直接转矩控制的转矩响应对比预测直接转矩控制脉动有所减小，脉动幅值为±0.35N·m左右，减小了0.05N·m，两者磁链和转速波形基本相同。

3）基于滞环改进的矢量细分预测直接转矩仿真。将预测直接转矩控制和两种改进直接转矩控制算法结合即基于滞环改进的矢量细分预测直接转矩控制。

采用基于滞环改进的矢量细分预测直接转矩控制转矩脉动幅度为仅为±0.2N·m左右，相比传统直接转矩控制±1.1N·m的脉动，已经减小了很多，磁链脉动幅度为±0.002Wb，对比传统直接转矩控制减小了0.001Wb，转速波形基本和之前一致。

4 结论

将不同控制算法的转矩脉动振幅进行对比，采用磁链转矩预测的预测直接转矩控制的转矩脉动为±0.4N·m左右，基于滞环改进的预测直接转矩控制转矩脉动为±0.25N·m左右，最后滞环改进的矢量细分预测直接转矩控制的转矩脉动仅为±0.2N·m左右，仿真结果表明，滞环改进的矢量细分预测直接转矩控制对磁链脉动的减小有很好的改善作用。

参考文献

[1]赵玫，邹继斌.横向磁通永磁直线电机研究与发展[J].电气工程学报，2016，2：1-9.

[2]李杰，韩峻峰.基于SVPWM的电动汽车直接转矩控制方法研究[J].机电工程，2014，7：898-902.

[3]年珩，万中奇.永磁同步发电机的预测直接转矩控制[J].电力电子技术，2013，6：83-85.

[4]万中奇.永磁同步发电机预测直接转矩控制策略研究[D].杭州：浙江大学电气学院，2013，7-9.

作者简介

党娇（1989-），女，陕西富平人，助教，硕士，主要从事智能检测与控制研究方面的工作。