基于DSP永磁同步電機直接轉矩控制系統研究

　由于PMSM具有功率密度高、效率和功率因數高的特點，在工業、民用、軍事等領域的應用越來越廣泛。DTC摒棄了矢量控制中解耦的控制思想，去掉了PWM控制和電流反饋環節，采用特定的定子磁鏈定向和空間矢量概念，通過檢測定子電壓、電流，直接在定子坐標系下觀測電機磁鏈、轉矩，并將此觀測值與給定磁鏈、轉矩相比較，差值經滯環控制器調節得到相應控制信號，再綜合當前磁鏈狀態來選擇相應電壓空間矢量，直接控制電機定子磁鏈及轉矩，以獲得快速的轉矩響應及優良的控制性能。針對永磁同步電機直接轉矩控制策略，闡明其理論基礎，運用現有的異步電機DTC研究成果，從理論及空間電壓矢量選擇表。

　　表1逆時針運轉時逆變器開關表磁鏈7轉矩T磁鏈矢量所處區域~VI表示當前磁鏈所在區域（），U表示所選擇的電壓矢量，這就是PMSMDTC的控制規律。

　　在實際的數字控制系統中，磁鏈會經常處在分區邊界處的一個小扇區內，造成電壓矢量選擇的不確定性。為此在分區邊界上選擇與分區邊界垂直的電壓矢量，得到表2所示修正表。

　　表2原始開關修正表磁鏈轉矩T定子磁鏈所處邊界廣或1如果定子磁鏈幅值變化量在區域邊界上為0. 5%時，輸出電磁轉矩變化量可達到10%，如果不采用表2對原始開關表1進行修正，電機往往不能正常起動。

　　輸入信號處理為實現定子磁鏈及轉矩的觀測，檢測電機電壓電流。對PMSMDTC而言，為起動電機需知轉子磁極的準確位置以確定定子磁鏈初始矢量，同時還需要用光電編碼信號計算電機的轉速實現速度閉環控制。為此設置了電壓、電流、光電編碼等輸入信號的處理電路。

　　系統保護電路由于PMSMDTC系統無電流環，借助于離散的兩點式調節（Ban-Bang控制）直接對逆變器開關狀態進行控制，有可能發生電流沖擊，為此必須完善系統的過流保護。

　　過流保護措施分三層實施，依次是軟件、硬件和IPM自身保護，其電流保護值依次增加。硬件過流測與鎖存電路如所示。

　　保護系統共有三路故障信號源，分別是三相電機過流、直流母線過流和IPM故障信號。3個故障信號經處理獲得一個總的報警信號，分別輸入到DSP和硬件保護電路。為確保保護功能得以實現，區邊界修正后，獲得了良好的起動能力和起動特性。

　　電機空載起動的轉速（上）、轉矩（下）波形示出2000r/min下穩定運行時的定子磁鏈矢量軌跡，具有圓形特征。為電機給定轉速000r/min之間切換的情況下得到的轉矩響應波形。0是轉矩在-5Nm和5N*m之間，切換速度開環情況下得到的轉矩波形。

　　可以看出，電機的輸出轉矩從-5Nm到5Nm的變化時間僅為1ms，體現了采用PMSMDTC策略后能獲得快速的轉矩動態響應效果。

　　6結論分析了PMSMDTC與異步電機DTC之間的差異，針對定子磁鏈分區邊界上電壓矢量選擇方面存在的誤差，對PMSMDTC開關表作了補充優化，在此基礎上提出了一整套控制方案和實現技術。實驗結果驗證了所提出的PMSMDTC方案實際可行，具有良好的轉矩動態響應性能。