導讀：本期對基于SVPWM的永磁同步電機直接轉矩控制進行全面的分析和仿真搭建。之后與傳統的DTC進行比較，凸顯基于SVPWM改進的DTC方法的有效性。

一、 傳統永磁同步電機直接轉矩控制系統存在的問題

傳統直接轉矩控制系統對定子磁鏈和電磁轉矩進行直接控制，通過滯環比較器在開關表中選擇合適的電壓空間矢量來控制逆變器的輸出。控制系統的優點有 ：

(1)省去了復雜的坐標變換，系統結構簡單。

(2)轉矩能快速響應電機參數的變化。

(3)控制系統對電機的參數依賴性小，系統魯棒性好。

但是由于滯環比較器的使用，定子磁鏈觀測的準確性及離散的空間電壓矢量等因素致使直接轉矩控制系統在實際使用中存在如下問題：

(1) 低速狀態下的電磁轉矩脈動大；

(2) 控制系統采用滯環比較器，無法適應先進的控制理論；

(3) 穩態時，定子電流含有的諧波比重大，導致定子磁鏈軌跡發生畸變；

(4) 開關頻率不固定，電壓利用率低；

從理論上分析這些問題發生的主要原因如下：

1. 滯環控制器帶來的影響

傳統的直接轉矩控制是通過設置滯環比較器的容差大小來控制磁鏈和轉矩的，所以定子磁鏈的畸變和轉矩的脈動都受到滯環比較器容差范圍的影響。滯環比較器的輸出只是一個“0”或“1”比較結果，而并不能以一個數值來說明大小的范圍。如果滯環比較器的容差設置太大，那么必然會引起磁鏈畸變和轉矩脈動。如果滯環控制器的容差設置太小，由于轉矩和磁鏈的慣性，實際上磁鏈和轉矩的偏差都會不可避免的超出容差范圍，此時控制器為使偏差迅速減小，會輸出相反方向的控制信號，但這種動作會帶來較大的瞬時脈動。如果磁鏈和轉矩偏差恰好處于容差之內時，滯環比較器這時并不對其控制，所以轉矩或磁鏈值也會一直在容差范圍內波動。所以，控制系統中只要使用滯環比較器，磁鏈的畸變和轉矩的脈動就無法消除。

2. 有限的電壓空間矢量帶來的影響（只考慮了誤差大小而沒有考慮方向）

傳統的直接轉矩控制系統中通過查表選擇空間電壓矢量來控制異步電機，這種控制方法雖然簡單，但是卻有缺陷。由于系統中可用的空間電壓矢量數量有限，兩電壓矢量之間的切換不連續，而要用這些離散的電壓矢量對連續的磁鏈軌跡進行調節，這樣就一定會導致磁鏈和轉矩的脈動。直接轉矩控制系統選擇的電壓矢量大小和方向都是固定的，只能對磁鏈和轉矩進行大小調節，但是并沒有具體的調節數值。因此，這種開關表選擇原則十分粗略，不能精確地控制轉矩和磁鏈。

3. 定子磁鏈的觀測帶來的影響

直接轉矩控制需要對定子磁鏈的幅值和磁鏈的相位進行實時地測定，目前由于磁鏈的直接觀測較為復雜，根據異步電機的磁鏈方程，可以通過測量定子電壓、定子電流以及轉速等信號來間接地估計出定子磁鏈的大小。定子磁鏈的觀測，需要建立磁鏈觀測模型，在第二章中我們介紹過三種磁鏈觀測模型，經過分析，其各有優缺點，但是都不能實現準確的磁鏈觀測。轉矩的計算和磁鏈扇區的判斷都受磁鏈觀測的準確性的影響，磁鏈觀測失誤，會造成電機失控。因此，定子磁鏈的觀測是直接轉矩控制的一個難點，也是影響系統性能的關鍵因素之一。

影響直接轉矩控制性能的因素不止以上分析的這三方面，導致磁鏈和轉矩觀測不準還有逆變器的死區效應，定子電阻值的準確測定等等，這些因素都會影響系統控制的性能，在此就不一一贅述。

二、永磁同步電機直接轉矩控制系統的改進

經過對直接轉矩控制系統缺陷的分析我們知道，要想改善這種缺陷就要從克服系統中滯環比較器的影響，調制出更多的空間電壓矢量對磁鏈進行連續平滑的控制，保證開關頻率固定這幾方面入手。國內外許多學者從不同角度提出了許多改進方法。如美國學者 Habetler 提出的無差拍控制技術，其控制思路就是在一個控制周期內根據磁鏈和轉矩的誤差計算出能使誤差為零的定子電壓矢量，并在下一個控制周期中使用 SVPWM技術將其合成來實現控制。無差拍技術是解決直接轉矩控制系統缺陷的一個很好的方案，但是需要龐大的計算量，所以難以實現。但是在借鑒無差拍技術的基礎上，我們提出基于空間矢量脈寬調制(SVPWM)方法的直接轉矩控制系統，基本思想就是通過上一個周期反饋的磁鏈和轉矩與給定值進行比較，由比較結果得出下一個控制周期內所期望的電壓矢量，然后利用空間矢量脈寬調制方法來合成該預期的電壓矢量來進行控制。

圖1為基于SVPWM的異步電機直接轉矩控制系統(SVPWM-DTC)的結構框圖。

圖1 SVPWM—DTC系統框圖

在改進后的控制系統中，將滯環比較器替換為控制性能更為卓越的PI 控制器，SVPWM 模塊可以根據磁鏈和轉矩偏差的大小和方向，實時精確的調制出任意的改變磁鏈和轉矩所需的電壓空間矢量，實現磁鏈的平滑調節，而不受開關表中空間電壓矢量數量的限制。該方案能使逆變器開關頻率恒定，從而可以大大降低轉矩、磁鏈的脈動。

該系統采用的是一種先進的脈寬調制策略，將逆變器和異步電機看做一個整體來控制，控制系統具有直流電壓利用率高、算法簡單、諧波損耗及噪聲低等特點，將先進的控制理應用到直接轉矩控制系統中，大大提高了系統的性能。

2.1 SVPWM 調制算法

(1) 期望電壓ref U 的生成

下一個周期所需期望電壓矢量的生成需要讓定子磁鏈和電磁轉矩在上一個周期內都能跟蹤期望值，從而利用其與期望值的偏差控制下一個周期內定子磁鏈和電磁轉矩的大小。

圖2期望電壓矢量的生成

(2) 扇區判斷

關于SVPWM的部分，可以看公眾號往期關于SVPWM的文章。

(3) 仿真模型搭建

圖3 基于SVPWM的永磁同步電機直接轉矩控制的仿真模型

圖3中仿真，最難的部分就是參考電壓矢量模塊的搭建，模塊如下：

圖4 參考電壓矢量模塊搭建

轉矩偏差、定子磁鏈參考值、定子磁鏈所處角度、定子磁鏈實際值及兩相靜止坐標系下的定子電流為電壓控制器的輸入，其輸出為期望電壓矢量在兩相靜止坐標系下的兩個分量。

三、仿真波形

圖4 波形變化情況

四、總結

本文對傳統直接轉矩控制系統調速性能的缺陷和不足進行了理論分析，提出了基于空間矢量脈寬調制技術(SVPWM)的永磁同步電機直接轉矩控制控制系統，并詳細介紹了SVPWM 的調制原理和調制算法，其主要采用預測的思想合成系統控制所需的期望電壓矢量。最后，通過simulink 仿真軟件建立了SVPWM 仿真模塊，并對其進行了仿真分析。

理論分析表明，基于SVPWM的永磁同步電機改進的DTC能夠保持電機定子磁鏈幅值恒定，觀測準確，磁鏈運動軌跡接近圓形，磁鏈和電磁轉矩的控制平滑，能有效解決傳統直接轉矩控制系統存在的轉矩和磁鏈脈動較大，開關頻率不恒定等問題。

審核編輯：湯梓紅