如何提高PMV电机系统的动静态性能

团队介绍

赵文祥，教授、博士生导师，国家优青。现为江苏大学高效能电机系统与智能控制研究院常务副院长。主持国家自然基金重大项目课题、国家科技重大专项等20余项科研项目。获国家技术发明二等奖、军队科技进步一等奖、教育部自然科学一等奖、IET Premium Awards等奖项。曾赴香港大学、英国谢菲尔德大学学习和课题合作。第一/通讯作者在IEEE汇刊、中国电机工程学报、电工技术学报发表论文60余篇，第一发明人授权发明专利20余件。入选江苏省“333工程”中青年科学技术带头人、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人。

和阳，江苏大学副教授，清华大学博士、博士后，研究方向为电机系统伺服控制，教育部创新团队发展计划的主要成员，作为项目经理参与军委科技委基础加强项目、军委装备发展部“十三五”重大专项、空军“十三五”等10余项科研攻关，先后获2012年、2017年军队科技进步一等奖，发表SCI、EI检索论文9篇，授权发明专利8项，软件著作权1项。

导语

本文提出了一种基于占空比调制技术的直接转矩控制(direct torque control，DTC)策略。根据每个采样周期的转矩和磁链误差，运用一种简单有效的求解方法，计算出有效电压矢量作用的最佳时间。既能保持电机优良的动态响应性能，也能有效减小转矩和磁链脉动，并降低定子电流的三次谐波含量。与此同时，该策略保持了DTC运算方便和结构简洁的优点。实验结果证明了理论分析的正确性及所提控制策略的可行性。

研究背景

容错永磁游标(fault-tolerant permanent magnet vernier，FT-PMV)电机基于磁场调制运行原理，兼具高可靠和高转矩密度优点，适用于低速直驱领域。然而，传统DTC策略存在弊端，抑或转矩和磁链脉动过大，抑或控制算法或者结构复杂难以应用。因此，有必要研究一种占空比调制技术，在维持简单控制结构的同时，优化控制算法，以提高PMV电机系统的动静态性能。

论文方法及创新点

本文在传统DTC策略基础上，将占空比调制技术引入其中，图1为基于占空比调制的五相FT-PMV电机DTC框图。

图2为一维空间和三维空间电压矢量分布图。在一维空间中，V16和V25同向，而在三维空间V25和V16反向。因此，当三维空间磁链处于扇区I时，电压矢量V16能增加三维磁链，矢量V25却能够减小三维磁链，而V16和V25在一维空间的作用效果是近似等效的。根据此规律，可由转矩和一维磁链的误差选出在一维空间作用效果相似的一组电压矢量，再从中选出具体的电压矢量来控制三维空间。

占空比调制技术是指将零矢量和有效电压矢量相结合，本文将占空比d定义为有效电压矢量的作用时间与控制周期的比值。为简化计算方法，保持控制系统鲁棒性，现利用下式计算占空比，即

式(1)

式(1)中，ΔTe、Δys分别为第k个控制周期的电磁转矩误差和定子磁链误差;Te *(k)、ys*(k)分别为第k控制周期的电磁转矩给定值和定子磁链给定值;Te(k)、ys(k)分别为第k控制周期的电磁转矩和定子磁链估算值;C1、C2为正系数，可通过实验整定得到。

在图1所示的PWM调制模块中，为了固定逆变器的开关频率，使得在每个控制周期Tc中，各相逆变器只开通关断一次，现以有效电压矢量V28(11100)为例，其PWM调制方式如图3所示。其中，PWM发波的比较值tx、ty可表示为

式(2)

从实验结果来看，本文提出的基于占空比调制的五相FT-PMV电机DTC策略，相比于传统DTC策略，保持系统动态性能好的优点，而静态性能有所提升，转矩脉动降低53%，电流畸变率降低63%，转速脉动降低65%。

结论

本文提出了一种用于五相FT-PMV电机的基于占空比调制的DTC技术。分析了传统DTC策略电磁转矩和定子磁链脉动大的缺陷。在此基础上，根据计算得到的转矩和磁链误差，在线计算每个控制周期有效电压矢量的最佳作用时长，从而提高系统的稳态性能。实验结果表明，该方法在保持DTC结构简单的基础上，能有效减小转矩和磁链脉动，提高系统的稳定性和鲁棒性，易于工程应用。

引用本文

陈浩， 和阳， 赵文祥， 许德志. 基于占空比调制的五相容错永磁游标电机直接转矩控制[J]. 电工技术学报， 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.

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