基于SVPWM的五相感应电机转矩预测控制策略

摘 要：多相电机具有低压大功率、效率高、转矩脉动小以及故障时能抗干扰运行等优势，在大功率和高可靠性工业应用场合得到了广泛应用。直接转矩控制作为高精度多相调速的重要方式得到了深入的研究，针对传统直接转矩控制（DTC）存在的缺点，如开关频率不恒定，转动脉动大等；基于上述问题，本文对基于多相空间矢量脉宽调制（svpwm）的转矩预测控制方法进行了研究。仿真和实验结果表明，基于多相SVPWM的转矩预测控制能够有效改善定子电流，减小转矩脉动，进而提高电机运行性能。

关键词：多相电机 直接转矩控制 预测控制 多相SVPWM

前 言

与传统的三相电机变频调速系统相比，多相系统[1，2]拥有诸多优势：能够实现低压大功率、拥有更多的控制自由度、更强的容错运行能力和更小的转矩脉动等。由于上述优点以及大功率传动领域的旺盛需求，多相调速系统成为学术界和工程界的研究热点。目前高精度多相调速系统控制策略主要有矢量控制和直接转矩控制，其中矢量控制对参数的依赖性比较大，而直接转矩控制具有系统结构简单，转矩动态响应快，以及鲁棒性好等优点，因此得到越来越多的研究。

基于开关表的直接转矩控制[3]策略通过滞环方式，粗略地控制磁链大小和转矩变化方向，而不能精确地控制其变化量，会导致调速系统低速运行性能较差并且稳态转矩脉动较大，特别是在多相电机中，注入的电压谐波映射到其他平面，进而产生谐波电流，对电机产生不利影响。而基于多相SVPWM的转矩预测控制策略[4]，可以通过相关算法得到所需要的理想电压矢量，从而实现对转矩差值和磁链差值的精确控制。基于SVPWM的转矩预测方法将磁链差值和转矩差值经过两个PI调节器，得到相应平面的电压矢量。以5相感应电机为例，可以分为基波平面和3次谐波平面，通过上述方法可以很方便实现对任何一个平面电压矢量的控制，进而可以有效抑制定子电流谐波，并且能够应用非正弦供电技术。

1、基于SVPWM的转矩预测控制方法

相关文献已经对传统3相电机基于SVPWM[的转矩预测控制方法进行了相关介绍与研究[3-4]。本文将其扩展到5相电机直接转矩控制系统中。为方便分析，将电机定转子电压方程表示为如下形式：

（1）

其中， ， 。将式（1）在 坐标系展开可得：

（2）

为简化上述表达式，将式（2）等式右边的表达式分别记为 和 ：

（3）

图1 基于SVPWM的转矩预测控制框图

由于实际控制系统是基于数字控制实现算法，需要对上述连续系统表达式进行离散化，图1为基于SVPWM的转矩预测控制方法的原理框图。假定系统的中断采样周期为 ，磁链差值和转矩差值分别为 和 ，则式（3）可以改写为：

（4）

从而可以得到 和 的差分方程：

（5）

以 和 作为基波平面的电压参考矢量，即 。然后利用多相SVPWM技术合成参考电压矢量，即可实现对转矩和磁链差的精确补偿。

2、实验结果

为了验证上述理论，构建了一套具有TMS320F2812为核心的5相感应电机变频调速系统，并给出了基于SVPWM转矩预测控制策略的实验结果，如图2所示。5相异步电机参数为：极对数 ，额定电压为200V，额定电流为10A，额定转速为970r/min，额定转矩为100N，定子电阻 ，电感参数 ， 。

图2 基于SVPWM的转矩预测控制实验波形

上述实验结果表明基于SVPWM的转矩预测控制策略对3次谐波电流有较好的抑制作用，改善定子波形，并有效减少定子铜耗和转矩脉动。

3、总结

仿真和实验结果中可以看出：

（I）与传统的开关表直接转矩控制相比，基于SVPWM转矩预测控制策略能有效控制电压矢量，继而有效控制定子电流。对多相电机来说，并不是所有谐波都是对电机有利的；不合理注入谐波会给电机带来扰动与额外损耗，进而影响电机总体效率和运行性能。

（II）SVPWM转矩预测控制策略具有良好的稳定性能，稳态时转矩波动较小。电机加载时，电流冲击也不大，说明该控制策略下的系统具有较好的稳定性和抗干扰能力。

（III） SVPWM转矩预测控制策略没有采用传统DTC的bang-bang控制方式，在动态性能会有所减弱，这也是该方法的不足之处。这就需要根据实际应用工况进行合理选择。

参考文献

[1] 康敏. 单绕组多相无轴承电机的研究[博士学位论文]. 杭州： 浙江大学， 2008.

[2] 白玉茅.九相感应电机的直接转矩控制研究[硕士学位论文]. 杭州： 浙江大学，2012.

[3] 康敏， 黄进， 刘东， 杨家强， 郑瑜， 姜海博. 多相异步电机参数的计算与测量[J]. 中国电机工程学报， 2010， 30（24）： 81-87.

[4] 刘亚东， 吴学智， 黄立培. 改善直接转矩控制性能的SVPWM方法[J]， 清华大学学报， 2004， 44（7）： 869-872.

作者简介 ：黄建明（1965-），男，浙江省龙泉市人，本科（助理工程师），主要从事电力系统变电运行、电机控制、检修生产技术管理工作