團(tuán)隊(duì)介紹

趙文祥，教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)家優(yōu)青?，F(xiàn)為江蘇大學(xué)高效能電機(jī)系統(tǒng)與智能控制研究院常務(wù)副院長(zhǎng)。主持國(guó)家自然基金重大項(xiàng)目課題、國(guó)家科技重大專項(xiàng)等20余項(xiàng)科研項(xiàng)目。獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、IET Premium Awards等獎(jiǎng)項(xiàng)。曾赴香港大學(xué)、英國(guó)謝菲爾德大學(xué)學(xué)習(xí)和課題合作。第一/通訊作者在IEEE匯刊、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)、電工技術(shù)學(xué)報(bào)發(fā)表論文60余篇，第一發(fā)明人授權(quán)發(fā)明專利20余件。入選江蘇省“333工程”中青年科學(xué)技術(shù)帶頭人、江蘇省“青藍(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人。

和陽(yáng)，江蘇大學(xué)副教授，清華大學(xué)博士、博士后，研究方向?yàn)殡姍C(jī)系統(tǒng)伺服控制，教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃的主要成員，作為項(xiàng)目經(jīng)理參與軍委科技委基礎(chǔ)加強(qiáng)項(xiàng)目、軍委裝備發(fā)展部“十三五”重大專項(xiàng)、空軍“十三五”等10余項(xiàng)科研攻關(guān)，先后獲2012年、2017年軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，發(fā)表SCI、EI檢索論文9篇，授權(quán)發(fā)明專利8項(xiàng)，軟件著作權(quán)1項(xiàng)。

導(dǎo)語(yǔ)

本文提出了一種基于占空比調(diào)制技術(shù)的直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque control，DTC）策略。根據(jù)每個(gè)采樣周期的轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差，運(yùn)用一種簡(jiǎn)單有效的求解方法，計(jì)算出有效電壓矢量作用的最佳時(shí)間。既能保持電機(jī)優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，也能有效減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)，并降低定子電流的三次諧波含量。與此同時(shí)，該策略保持了DTC運(yùn)算方便和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(cuò)永磁游標(biāo)（fault-tolerant permanent magnet vernier，F(xiàn)T-PMV）電機(jī)基于磁場(chǎng)調(diào)制運(yùn)行原理，兼具高可靠和高轉(zhuǎn)矩密度優(yōu)點(diǎn)，適用于低速直驅(qū)領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)DTC策略存在弊端，抑或轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)過大，抑或控制算法或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以應(yīng)用。因此，有必要研究一種占空比調(diào)制技術(shù)，在維持簡(jiǎn)單控制結(jié)構(gòu)的同時(shí)，優(yōu)化控制算法，以提高PMV電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文在傳統(tǒng)DTC策略基礎(chǔ)上，將占空比調(diào)制技術(shù)引入其中，圖1為基于占空比調(diào)制的五相FT-PMV電機(jī)DTC框圖。

圖1 基于占空比調(diào)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(dāng)三維空間磁鏈處于扇區(qū)I時(shí)，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(jù)此規(guī)律，可由轉(zhuǎn)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?gòu)闹羞x出具體的電壓矢量來控制三維空間。

圖2 五相FT-PMV電機(jī)電壓空間矢量圖

占空比調(diào)制技術(shù)是指將零矢量和有效電壓矢量相結(jié)合，本文將占空比d定義為有效電壓矢量的作用時(shí)間與控制周期的比值。為簡(jiǎn)化計(jì)算方法，保持控制系統(tǒng)魯棒性，現(xiàn)利用下式計(jì)算占空比，即

式（1）

式（1）中，ΔTe、Δys分別為第k個(gè)控制周期的電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和定子磁鏈估算值；C1、C2為正系數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)整定得到。

在圖1所示的PWM調(diào)制模塊中，為了固定逆變器的開關(guān)頻率，使得在每個(gè)控制周期Tc中，各相逆變器只開通關(guān)斷一次，現(xiàn)以有效電壓矢量V28（11100）為例，其PWM調(diào)制方式如圖3所示。其中，PWM發(fā)波的比較值tx、ty可表示為

式（2）

圖3 PWM調(diào)制方式

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，本文提出的基于占空比調(diào)制的五相FT-PMV電機(jī)DTC策略，相比于傳統(tǒng)DTC策略，保持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)，而靜態(tài)性能有所提升，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低53%，電流畸變率降低63%，轉(zhuǎn)速脈動(dòng)降低65%。

結(jié)論

本文提出了一種用于五相FT-PMV電機(jī)的基于占空比調(diào)制的DTC技術(shù)。分析了傳統(tǒng)DTC策略電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈脈動(dòng)大的缺陷。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差，在線計(jì)算每個(gè)控制周期有效電壓矢量的最佳作用時(shí)長(zhǎng)，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在保持DTC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)上，能有效減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，易于工程應(yīng)用。

引用本文

陳浩, 和陽(yáng), 趙文祥, 許德志. 基于占空比調(diào)制的五相容錯(cuò)永磁游標(biāo)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.