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永磁同步电机直接转矩控制和矢量控制的对比研究

2024-03-04 18 上传者：管理员

摘要：随着永磁材料的发现和现代电机控制技术的不断发展，三相永磁同步电机的控制方式逐渐演变为矢量控制和直接转矩控制两大流派，并各有千秋。矢量控制和直接转矩控制虽然在控制系统组成、控制过程、形式以及效果等方面存在差异，但是2种控制方式拥有相同的理论基础，控制本质是一致的。通过Matlab/Simulink软件仿真和转矩公式分析进行了验证。

关键词：
恒压恒频控制
永磁同步电机
直接转矩控制
矢量控制
调压调频
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目前，对三相永磁同步电机的控制应用有三大策略，分别为调压调频VVVF(variable voltage and variable frequency）控制、矢量控制FOC(field orient⁃ed control）和直接转矩控制DTC(direct torque con⁃trol）。其中，VVVF控制是早期对电机控制的一种策略，但是其控制系统中没有反馈的存在，所以这种控制策略不能实现对电机的精准调速，一般适用于定量控制和恒压恒频控制。FOC[1,2,3,4,5,6,7]控制是20世纪70年代由西门子公司提出的，其关键是将电机的定子电流转换到以转子磁链定向的旋转坐标系下，然后对电机定子电流进行解耦，定子电流被分为与磁链同方向的励磁电流和与磁链正交方向的转矩电流。控制励磁电流不变，通过改变转矩电流即可达到对电机的调速。这一控制类似于直流电机，维持直流电机的励磁电流不变，改变电机的电枢电流可以达到调速效果。矢量控制系统中一般会包含转速环和电流环的“双闭环”，使得对电机的调速更加精准。但是，在矢量控制中对定子电流进行坐标变换及解耦的过程运算量极大。DTC[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]控制是20世纪德国学者M.Depenbrock和日本学者I.Takahashi提出的，是根据磁链和转矩的实际值与参考值的差值，通过磁链滞环和转矩滞环的输出以及定子磁链空间矢量的位置来输出控制信号，从开关表中选择合适的电压空间矢量触发三相逆变器的导通状态，最终达到控制三相永磁同步电机转速的目的。这种控制方式简单，响应速度快，但是存在电机转矩脉动大且不容易实现数字化控制等缺点。在三相永磁同步电机的三大控制方式中，VVVF控制目前已经很少被应用，FOC控制和DTC控制已经被广大学者认为是控制领域的两大流派，本文将主要分析FOC控制和DTC控制的异同。

1、FOC控制与DTC控制的不同点

FOC控制与DTC控制的不同点将从控制系统、控制过程、控制形式和仿真控制效果这4个方面来论述。图1和图2分别给出了FOC控制和DTC控制的系统框图。

1.1控制系统

从图1和图2的对比可以看出，FOC控制系统较DTC控制系统更为复杂。其中，FOC控制系统由转速外环、电流内环、坐标变换、空间矢量脉宽调制、三相逆变器、永磁同步电机和位置传感器组成，而DTC控制系统则由转速外环、转矩滞环、磁链滞环、离线开关表、三相逆变器、永磁同步电机、磁链估算和转矩估算模块以及传感器组成。

图1 FOC控制方式的系统框图

图2 DTC控制方式的系统框图

1.2控制过程

FOC控制是利用给定转速与实际转速的差值经过转速比例积分PI(proportional integral）调节器产生交轴电流的参考值，接着根据交、直轴定子电流参考值与实际值的差值通过电流PI调节器与Park变换模块产生静止坐标系下的电压，产生的电压再经过SVPWM的脉冲调制作用导通三相逆变器，从而达到对三相永磁同步电机的控制作用。DTC控制利用电机的给定转速与其实际转速的差值经过转速PI调节器的作用产生定子电流，这一电流通过转矩滞环和磁链滞环两部分的作用进入离线开关表并选择合适的空间电压矢量，改变逆变器的导通状态，从而最终达到对电机的控制作用。

1.3控制形式

FOC控制首先将定子电流转换到以转子定向的旋转坐标系下，并将电流解耦为控制电机磁通的励磁电流id和控制电机转矩的转矩电流iq。在保持励磁电流恒定的情况下，通过改变转矩电流达到对电机转速的控制，在实际应用中通常采用id=0的控制策略。可以看出，矢量控制是一种间接控制，通过控制电机定子电流从而间接改变电机的转速。

DTC控制中不需要涉及定子电流的解耦，直接通过转矩滞环和磁链滞环两部分达到对电机转速的控制，所以直接转矩是一种直接控制，相比矢量控制来说更为简单。

1.4仿真控制效果

为了更为直观地观察不同控制方式的控制效果，这里采用Matlab/Simulink仿真软件分别对两种系统进行建模分析。仿真系统的相关参数如表1所示，仿真模拟电机空载启动，在运行过程中突增负载，0.2 s是电机突增负载时刻。

表1仿真中三相永磁同步电机的参数设置

1.4.1 FOC控制方式的仿真

根据图1的系统框图搭建仿真模型，电机转矩、转速波形分别如图3、图4所示。

图3 FOC控制的电机转矩波形图

图4 FOC控制的电机转速波形图

通过图3、4可以看到，电机空载启动初期，电机转矩快速上升并发生短暂脉动后恢复到接近0的位置，之所以转矩不完全为0是因为电机存在摩擦转矩的缘故。电机转速也迅速上升并超出参考转速一定位置后恢复到参考转速大小，之所以在启动时刻电机转速急速上升并超过参考转速是因为电机存在超调的缘故。这说明FOC控制下的三相永磁同步电机启动速度快。当电机运行0.2 s之后，给电机增加一定的负载，电机转矩迅速上升并维持稳定，电机转速略微下降后迅速恢复到参考转速。这说明FOC控制方式下三相永磁同步电机受到外界扰动后自恢复能力强。

1.4.2 DTC控制方式的仿真

根据图2的系统框图搭建仿真模型，DTC控制的电机转矩、电机转速仿真结果如图5、图6所示。

图5 DTC控制的电机转矩波形图

图6 DTC控制的电机转速波形图

从图5和图6可以看到，在电机空载启动初期电机的转矩和转速均存在轻度倒转现象。倒转结束后电机转矩和转速逐步上升并经过短暂时间后转矩在0附近脉动、转速在参考转速附近脉动。相比FOC控制方式来说，DTC的启动较慢，但启动过程更加稳定。当电机运行0.2 s时，给电机增加一定的负载，电机转矩迅速上升到1.8(N·m）周围并发生脉动，电机转速略微下降后经过一定时间逐渐恢复到参考转速。相比FOC控制方式来说，DTC控制方式下电机转矩转速脉动较大，电机的稳定性较差。

综合2种控制方式下的仿真效果来看，FOC控制下的效果更加稳定，电机启动更快，自恢复能力更强，而DTC控制的启动过程更加稳定，电机受到的冲击损耗更小。

2、FOC控制和DTC控制的相同点

FOC控制方式和DTC控制方式虽有很多不同，但二者在三相永磁同步电机应用中有着相同的理论基础。

FOC控制方式下电机的转矩为

从式（1）可以看出，FOC控制方式下，三相永磁同步电机的转矩由转矩电流iq和励磁电流id决定。

DTC控制方式下电机的转矩

从式（2）可以看出，DTC控制方式下，三相永磁同步电机的转矩由定子磁链的幅值ψs和负载角δsm决定。

根据电机学知识可得

从式（3）可以看出，转矩电流iq和励磁电流id又影响着定子磁链的幅值ψs和负载角δsm，这也证明了FOC控制方式和DTC控制方式对于三相永磁同步电机有着相同的控制理论基础。换句话说，FOC控制方式是通过控制定子电流间接控制着定子磁链，而DTC控制是直接控制着定子磁链，而这最终的控制本质是一致的。由此可知，FOC控制适用于高精度控制行业的应用，比如军事、新能源汽车等领域；DTC适用于便携式控制的应用，比如家用洗衣机和空调的变频控制等领域。

3、结论

本文根据FOC控制方式和DTC控制方式的系统框图，从控制系统、控制过程、控制形式以及控制效果4个角度做出了对比，并得到了FOC控制更加稳定、DTC控制更加简单的结论。接着通过分析2种方式下电机转矩的表达式得出了2种控制方式有着相同的控制理论基础的结论。永磁同步电机的矢量控制和直接转矩控制各有千秋，但本质是一致的，这为我们未来探索结合FOC和DTC优势的电机控制新策略提供了思路。

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