永磁同步电动机DTC及SMC控制系统建模与仿真

摘要: 介绍了永磁同步电动机（PMSM）驱动装置中直接转矩控制（DTC）及滑模变结构控制（SMC）原理和设计方法。在MATLAB6.5环境下，通过Simulink中的电力系统仿真库，建立相关模型进行仿真。仿真结果表明控制系统的动态和稳态性能良好，并且可以利用得到的波形直观地对两种控制方法以及普通的矢量控制方法进行对比和分析，是进一步进行硬件开发的基础。 关键词: 永磁同步电动机；直接转矩控制；滑模变结构；仿真 1 引 言 永磁同步电机（PMSM）具有较高的运行效率、转矩密度和较小的转动惯量、转矩脉动，并可高速运行及在低频下工作等特点，因此在诸如高性能机床进给控制、位置控制，机器人手臂运动控制等领域应用广泛。直接转矩控制系统（DTCS）是近年来继矢量控制之后发展起来的另一种高动态性能的交流变压变频调速系统，可满足不同控制系统的要求。随着对控制性能要求的提高，滑模变结构控制（SMC）以其受外界参数变化和干扰不敏感的特点，也越来越多地被用在功率电子驱动装置当中，配合高效的数字信号处理器（DSP）可实现高精度，高动态性能，鲁棒性好等控制要求，应用逐渐广泛。 2 PMSM直接转矩控制系统 2.1 DTC原理及系统建模 如同矢量控制系统，直接转矩控制也是分别控制电机的转速和磁链，而且采用在转速环内置转矩内环的方法，以便抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而达到转速与磁链子系统近似解耦的关系。图1为按定子磁场控制的直接转矩控制系统原理图。 图示控制系统具有以下特点： (1)转矩和磁链采用直接反馈的双位式砰－砰控制，避开了定子电流的解耦，省去了旋转坐标变换，简化了控制器结构。但是带来了转矩的脉动，因而限制了调速范围。 (2)选择定子磁链为被控制磁链（与矢量控制方法选择转子磁链不同），这样虽然导致电机稳态的机械特性稍差一些，但是却可使控制性能避免因转子参数的变化所带来的影响，这也是DTC系统优于矢量控制的地方。基于上述DTC系统的仿真模型如图2所示： 其中采用两相静止坐标(α-β),定子磁链模型依据公式： 采用ode23tb算法，允许误差e-3，可变步长，仿真时间4s,电机转速给定100(rad/s)，Vdc＝380(V)。在t=1s时，负载转矩由30(N.m)突变为80(N.m)。定子三相电流波形，跟踪磁链圆，电机转矩、转速响应曲线分别如图3，4，5，6所示,本文图中各纵坐标单位：转速ω(rad/s)；电流I(A)；转矩T(N.m)；磁链Ψ(Wb）。 由图3三相定子电流可知，当t=1s时负载突变，相应的电流也跟着变大；图4中磁链圆利用多边形逼近，因此跟开关频率有关，当开关频率越高，则磁链轨迹越逼近圆形，适合于中小功率，开关频率较高的场合。由图5中转矩响应曲线可见，按定子磁链定向，虽然避开了转子参数所带来的影响，但也产生了明显的转矩脉动。图6中的转速响应曲线很好地显示了闭环反馈控制的效果：当负载突变时，转速在较短的时间内便重新达到了给定转速。 由以上仿真实验可知，对比通常的电压空间矢量脉宽调制控制系统(图7)，直接转矩控制按定子磁链控制，可避免矢量控制中的旋转坐标变换，简化了控制器结构，且不受转子参数变动影响，可增强鲁棒性；但是同时也产生了明显的转矩脉动(图5)，不利于进行连续控制，降低了调速范围和性能。 3 SMC原理及建模仿真 3.1 SMC原理及PMSM状态方程 滑模变结构控制(SMC)可以迫使系统的状态按照预先设计的开关面滑动，从而可使驱动系统基本不受参数变化和外界干扰影响，获得优越的控制性能。滑模变结构控制原理如图8所示。图中X1表示位置角被校正的误差，-X2是角速度的误差；图中原点是控制系统的理想终点。由这些状态构成的开关面决定了从起始点到终点的路径(如图8所示)。可假设开关面(在这里由于为二维状态变量，故为开关线)S：S=CX1+X2，一般取C>0。由图可知，系统状态变量从起始运动到达开关面(S=0)之前，为线性控制，控制回路的结构保持不变；一旦触及开关面，控制系统结构便会自适应地发生变化，迫使系统状态沿着开关面一直滑动到终点。本系统中这种变化通过开关状态的改变实现。以 PMSM实验参数设置为： 采用ode23tb算法，允许误差e-3，可变步长，仿真时间0.2s,电机转速给定100(rad/s)，Vdc＝400(V)。在0.06s时，负载转矩由3个单位变为8个单位，其中： 4 结 论 电压空间矢量脉宽调制(VSVPWM)及直接转矩控制(DTC)是目前永磁同步电动机驱动系统中应用比较多的控制方法，配合高速的数字信号处理DSP芯片（如目前的TMS320LF240x系列），可以开发出高效实用的控制系统。DTC方法不受转子参数影响，增强了系统鲁棒性，但是易产生转矩脉动，故比较适合风机、水泵以及牵引传动等对调速范围不高的场合。另外本文中的DTC系统模型及仿真结果也很好地表明了此种控制方法地正确性和实用性。 滑模变结构控制(SMC)可使系统状态向预先设计好的开关面滑动，因此对系统参数变化和外界干扰不敏感，如果开关面和控制量选择适当，可以开发出比较健全的控制系统，以适应不同需求的控制系统。 本文中对两种不同的驱动系统控制方式(DTC及SMC)进行了建模和仿真，并且对比了普通的矢量控制方法，仿真结果表明系统运行良好，是进行实际硬件开发有力的支持及基础。