- 頭條江蘇大學趙文祥團隊特稿：五相容錯永磁游標電機的直接轉矩控制2021-02-06 作者：陳浩 和陽 趙文祥 許德志 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語本文提出了一種基于占空比調制技術的直接轉矩控制（direct torque control，DTC）策略。根據每個采樣周期的轉矩和磁鏈誤差，運用一種簡單有效的求解方法，計算出有效電壓矢量作用的最佳時間。既能保持電機優良的動態響應性能，也能有效減小轉矩和磁鏈脈動，并降低定子電流的三次諧波含量。與此同時，該策略保持了DTC運算方便和結構簡潔的優點。實驗結果證明了理論分析的正確性及所提控制策略的可行性。
團隊介紹
趙文祥，教授、博士生導師，國家優青。現為江蘇大學高效能電機系統與智能控制研究院常務副院長。主持國家自然基金重大項目課題、國家科技重大專項等20余項科研項目。獲國家技術發明二等獎、軍隊科技進步一等獎、教育部自然科學一等獎、IET Premium Awards等獎項。曾赴香港大學、英國謝菲爾德大學學習和課題合作。第一/通訊作者在IEEE匯刊、中國電機工程學報、電工技術學報發表論文60余篇，第一發明人授權發明專利20余件。入選江蘇省“333工程”中青年科學技術帶頭人、江蘇省“青藍工程”中青年學術帶頭人。
和陽，江蘇大學副教授，清華大學博士、博士后，研究方向為電機系統伺服控制，教育部創新團隊發展計劃的主要成員，作為項目經理參與軍委科技委基礎加強項目、軍委裝備發展部“十三五”重大專項、空軍“十三五”等10余項科研攻關，先后獲2012年、2017年軍隊科技進步一等獎，發表SCI、EI檢索論文9篇，授權發明專利8項，軟件著作權1項。
導語
本文提出了一種基于占空比調制技術的直接轉矩控制（direct torque control，DTC）策略。根據每個采樣周期的轉矩和磁鏈誤差，運用一種簡單有效的求解方法，計算出有效電壓矢量作用的最佳時間。既能保持電機優良的動態響應性能，也能有效減小轉矩和磁鏈脈動，并降低定子電流的三次諧波含量。與此同時，該策略保持了DTC運算方便和結構簡潔的優點。實驗結果證明了理論分析的正確性及所提控制策略的可行性。
研究背景
容錯永磁游標（fault-tolerant permanent magnet vernier，FT-PMV）電機基于磁場調制運行原理，兼具高可靠和高轉矩密度優點，適用于低速直驅領域。然而，傳統DTC策略存在弊端，抑或轉矩和磁鏈脈動過大，抑或控制算法或者結構復雜難以應用。因此，有必要研究一種占空比調制技術，在維持簡單控制結構的同時，優化控制算法，以提高PMV電機系統的動靜態性能。
論文方法及創新點
本文在傳統DTC策略基礎上，將占空比調制技術引入其中，圖1為基于占空比調制的五相FT-PMV電機DTC框圖。
圖1 基于占空比調制的DTC策略
圖2為一維空間和三維空間電壓矢量分布圖。在一維空間中，V16和V25同向，而在三維空間V25和V16反向。因此，當三維空間磁鏈處于扇區I時，電壓矢量V16能增加三維磁鏈，矢量V25卻能夠減小三維磁鏈，而V16和V25在一維空間的作用效果是近似等效的。根據此規律，可由轉矩和一維磁鏈的誤差選出在一維空間作用效果相似的一組電壓矢量，再從中選出具體的電壓矢量來控制三維空間。
圖2 五相FT-PMV電機電壓空間矢量圖
占空比調制技術是指將零矢量和有效電壓矢量相結合，本文將占空比d定義為有效電壓矢量的作用時間與控制周期的比值。為簡化計算方法，保持控制系統魯棒性，現利用下式計算占空比，即
式（1）
式（1）中，ΔTe、Δys分別為第k個控制周期的電磁轉矩誤差和定子磁鏈誤差；Te *(k)、ys*(k)分別為第k控制周期的電磁轉矩給定值和定子磁鏈給定值；Te(k)、ys(k)分別為第k控制周期的電磁轉矩和定子磁鏈估算值；C1、C2為正系數，可通過實驗整定得到。
在圖1所示的PWM調制模塊中，為了固定逆變器的開關頻率，使得在每個控制周期Tc中，各相逆變器只開通關斷一次，現以有效電壓矢量V28（11100）為例，其PWM調制方式如圖3所示。其中，PWM發波的比較值tx、ty可表示為
式（2）
圖3 PWM調制方式
從實驗結果來看，本文提出的基于占空比調制的五相FT-PMV電機DTC策略，相比于傳統DTC策略，保持系統動態性能好的優點，而靜態性能有所提升，轉矩脈動降低53%，電流畸變率降低63%，轉速脈動降低65%。
結論
本文提出了一種用于五相FT-PMV電機的基于占空比調制的DTC技術。分析了傳統DTC策略電磁轉矩和定子磁鏈脈動大的缺陷。在此基礎上，根據計算得到的轉矩和磁鏈誤差，在線計算每個控制周期有效電壓矢量的最佳作用時長，從而提高系統的穩態性能。實驗結果表明，該方法在保持DTC結構簡單的基礎上，能有效減小轉矩和磁鏈脈動，提高系統的穩定性和魯棒性，易于工程應用。
引用本文
陳浩, 和陽, 趙文祥, 許德志. 基于占空比調制的五相容錯永磁游標電機直接轉矩控制[J]. 電工技術學報, 2020, 35(5): 1055-1064. Chen Hao, He Yang, Zhao Wenxiang, Xu Dezhi. Direct Torque Control of Five-Phase Fault-Tolerant Permanent Magnet Vernier Motor Based on Duty Cycle Modulation. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 1055-1064.
