摘要：传统的永磁同步电机直接转矩控制，转矩和磁链脉动较大，开关频率总在变化。为此，对面贴式永磁同步电机，本文提出一种新的直接转矩控制方法，融合空间矢量调制，变比例转矩调节及基于旋转电动势的参考电压矢量生成模型。推导出转矩调节器的比例系数随实际转矩变化的模型和新的旋转电动势参考电压矢量模型，建立了仿真和实验系统。实验结果

　　表明该方法电流脉动小，全调速范围内转矩脉动小，跟踪快速和抗扰性能好。

　　关键词：永磁同步电机,直接转矩控制,空间矢量调制,反电势,开关频率

　　Abstract：The classical direct torque control (DTC) for permanent magnet synchronous motor (PMSM) has somedrawbacks of more torque/flux ripples, and variable switching frequency. On the basis of an analysis of surface mounted PMSM,a novel DTC method combining space vector modulation (SVM) technique, a torque regulator with variable proportionalcoefficient, and a reference voltage generator with the compensation of rotating electromotive force (EMF) is proposed in thepaper so as to solve the above problems. It is derived that the proportion coefficient of the torque regulator will changewith theactual torque. And the EMF compensation principle is given. Its simulation model and experiment system were built up. Theexperiment results show that it has the advantages of the small current distortion, low torque ripple in full region, rapid responsewith changes of input and good anti-interference performance.

　　Keywords：PMSM; DTC; SVM; EMF; Switching Frequency

　　1. 引言

　　1977年，A. B. Piunkett 首次提出直接转矩控制(DTC)的思想，1985年由德国鲁尔大学的Depenbrock教授首次取得实际应用的成功。1997年，L. Zhong, M.F.Rahman 和W. Hu等人首次把直接转矩控制与永磁同步电机结合起来，成功实现了永磁同步电机DTC控制[4]。这种DTC按照一定规则从预先制定的开关表中选取电压空间矢量对电机的磁链和转矩进行Bang-Bang控制[3]，他几乎不依赖于电机参数。然而，传统的基于开关表的DTC方法，转矩和磁链脉动较大，开关频率不固定。

　　一种改进方法是将SVM和DTC结合起来，称为DTC-SVM。不同于传统开关表DTC方法电压矢量数量有限且幅值和位置固定，SVM能够产生任意数量和任意大小的电压矢量，因此DTC-SVM能更精确的调节转矩和磁链，具有固定的开关频率，而且采样频率可以比传统DTC低很多。DTC-SVM的关键是所需电压矢量的获取，提出了包括deadbeat控制[5], [6], 间接转矩控制[7], [8], 使用PI调节器的定子磁场定向控制[9], 滑膜控制器[10]等。尽管DTC-SVM转矩脉动降低，开关频率固定，但多数需要旋转坐标变换，增加复杂性，降低了传统DTC具有的简单、鲁棒性优势。

　　对面贴式永磁同步电机，本文提出一种新的直接转矩控制方法，同时结合空间矢量调制技术，变比例转矩调节器及新的基于旋转电动势的参考电压矢量发生器。推导出转矩调节器的比例系数随实际转矩变化的模型和旋转反电势补偿模型，建立了仿真和实验系统。与传统DTC相比，所提方法转矩响应速度相近，转矩脉动更小，定子电流正弦性好。

　　2. 面贴式永磁同步电机数学模型

　  3. 新的永磁同步电机DTC 控制方法

　　A. 总体控制方案

　　传统DTC 原理如图2所示，在实际数字控制中，为完成转矩和磁链的计算，系统的采样频率须非常快以实现良好的跟踪性能，并且使转矩和磁链误差能够被限制在滞环宽度之内。由于在一个采样周期内，逆变器开关无动作，故逆变器开关频率低于采样频率，因此在低的采样频率下，相应转矩脉动会很大。

　　本文所提出的新的DTC 方法方案如图3所示，只采用一个变比例增益的转矩调节器代替传统DTC 的转矩和磁链双滞环调节器。

　  4. 仿真和实验分析

　　基于MATLAB，进行了新的直接转矩控制方法和经典的直接转矩控制方法对比分析，其控制系统结构分别如图3和图2所示，电机和控制系统参数如表1所示。同时，建立了PMSM控制系统实验平台。

　   DTC方法、新的带旋转电动势的DTC方法、传统DTC方法。新DTC方法的采样频率设为10kHz，传统DTC方法采样频率设为50kHz。为方便描述，前两种方法分别称为DTC1和DTC2用于下面实验结果分析中。

　　图5为1000r/min(50%额定转速)转速，t=0.04s时突加负载6N.m，DTC1、DTC2和传统DTC方法的动态响应曲线，从上至下分别为转矩、定子电流曲线。由图可见，DTC2转矩脉动比DTC1小，定子电流正弦性更好，DTC1在整个动态和稳态过程中的转矩振荡都很明显，传统DTC方法的转矩和电流脉动最大。

　　图6为三种方法在转速1000r/min, 负载6Nm时的定子电流谐波频谱。可见，新的DTC2方法电流谐波畸变率2.58%，主要谐波为10kHz的开关频率，低于DTC1方法的3.44%，其主要谐波频率为10kHz的开关频率和2kHz的振荡频率;传统DTC谐波频谱很宽，表明其开关频率可变，最大在4kHz左右，而定子电流畸变率达到16.30%，远高于前两种方法。

　　25%和100%额定转速、空载下转矩的稳态曲线分别如图7所示和图8所示，从上到下分别针对DTC1、DTC2和传统DTC，与另外两种方法相比，DTC2方法转矩脉动减小明显。三种方法的稳态定子磁链轨迹在低速和高速情况下的曲线如图9所示，DTC1和DTC2的定子磁链轨迹更接近圆形，脉动小，尤其DTC2更好。

　　DTC1、DTC2和传统DTC三种方法的转矩脉动数字比较如图10所示，与传统DTC相比，DTC2的转矩脉动减小了89.21%，DTC1的转矩脉动减小65.26%，DTC2的转矩性能在整个调速范围内优于DTC1，证明了DTC2方法的有效性。应注意，如图6所示，对于相同的采样频率，传统DTC方法开关频率最低，如果提高采样频率，可提高传统DTC的性能，然而其性能的改善受硬件系统条件制约。故可采用DTC2方法提高性能。图11为DTC2仿真系统A相电流ia和AB线电压Uab波形，图12为实验系统的对比曲线。开关频率为10kHz，在一个周期内正的电压矢量作用期间电流增加;零电压矢量作用时，电流减小。表明电流脉动依赖于参考电压矢量，通过施加合适的参考电压矢量作用减小转矩脉动是可行的。

　　5. 结论

　　基于表贴式永磁同步电机分析，提出一种新的融合SVM、变比例转矩调节、基于旋转电动势的参考电压生成模型的直接转矩控制方法，开关频率不变，推导出转矩调节器比例随实际转矩变化模型、旋转电动势参考电压生成模型，建立仿真系统和实验系统，实验结果证明该方法具有电流畸变小，全调速范围内转矩脉动小，跟踪速度快，抗扰性能好的优点。