一種基于無差拍的永磁同步電機直接轉矩控制方法【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于無差拍的永磁同步電機直接轉矩控制方法，在一個控制周期內同時精確補償了給定磁鏈幅值與實際磁鏈幅值、給定轉矩幅值與實際轉矩幅值的誤差，實現(xiàn)了磁鏈與轉矩的無差拍控制，同時將空間電壓矢量調制方法引入控制系統(tǒng)，使得開關頻率恒定。本發(fā)明控制方法能夠較好地提升系統(tǒng)性能，該方法可以明顯降低磁鏈與轉矩脈動，并且轉矩的動態(tài)響應速度與傳統(tǒng)直接轉矩控制方案相當，基本保持了直接轉矩方法具有結構簡單、轉矩動態(tài)響應快的優(yōu)點。【專利說明】一種基于無差拍的永磁同步電機直接轉矩控制方法【【
技術領域：
】】[0001]本發(fā)明涉及電機控制【
技術領域：
】，特別涉及一種永磁同步電機的控制方法?！尽?br>背景技術：
】】[0002]傳統(tǒng)永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)中根據(jù)轉矩、磁鏈兩個滯環(huán)控制器輸出以及定子磁鏈的位置所在區(qū)域，從開關表中選擇合適的電壓空間矢量對電機轉矩、磁鏈進行控制。但所能選擇的電壓空間矢量是有限的，而且開關表中對電壓空間矢量的選擇也是比較粗略的，因此會帶來轉矩與磁鏈的脈動大的問題。而且由于只是對電壓空間矢量進行選擇，而沒有利用空間電壓調制的方式，會導致開關頻率的不恒定，不利于系統(tǒng)中逆變器的硬件設計。[0003]目前，針對傳統(tǒng)永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)中轉矩與磁鏈脈動大的問題已有多種改進型直接轉矩控制方案，歸納起來可分為四類方案:[0004]I)采用改進的開關表[0005]請參閱圖1所示，文獻[1-5]通過將矢量平面細分為12個扇區(qū)并采用改進的空間電壓矢量開關表的方法來選擇最合適的電壓矢量進而得到更準確的轉矩、磁鏈控制。[0006]請參閱圖2所示，文獻[6-10]引入了模糊邏輯控制器對空間電壓矢量的選擇條件做了細化。利用模糊推理將定子磁鏈誤差、轉矩誤差和磁鏈角度進行了合理的模糊分級，從而使電壓空間矢量的選擇更準確。但在線模糊推理的計算工作量大，難以實時控制。[0007]請參閱圖3所示，文獻[11-13]提出了基于區(qū)域電壓矢量表的永磁同步電機直接轉矩預測控制，根據(jù)電機模型，推導出在每個區(qū)域內電壓矢量的預測控制角，在每個控制周期內插入零矢量實現(xiàn)轉矩和磁鏈的預測控制。[0008]這些方法減小了轉矩與磁鏈的脈動，但由于控制算法依然建立在對有限的8個電壓空間矢量進行選擇的基礎上，不能保證開關頻率的恒定。[0009]2)引入了多電平逆變器[0010]請參閱圖4(a)_圖4(C)所示，文獻[14_18]引入了多電平逆變器以增加可選電壓空間矢量的數(shù)量，減小了轉矩與磁鏈的脈動，但需更多開關器件，使系統(tǒng)硬件結構的復雜性增加。[0011]3)空間電壓矢量調制(SVM)的直接轉矩控制[0012]請參閱圖5所示，利用空間電壓矢量的調制技術可獲得更多的、連續(xù)變化的電壓空間矢量，進而實現(xiàn)對電機磁鏈、轉矩更準確的控制。根據(jù)這種調制控制思想，文獻[19-23]提出了基于空間矢量調制的方法直接轉矩方案，這些方案有效地降低了轉矩脈動，并使開關頻率恒定。但由于比例積分(PI)控制器被應用于轉矩控制回路中，PI控制器參數(shù)對電機轉速和負載變化敏感，PI控制器本身具有相位滯后效應使轉矩的動態(tài)響應變慢。[0013]4)滑模變結構的直接轉矩控制[0014]請參閱圖6所示，文獻[24-28]將滑模變結構控制策略引入永磁同步電機直接轉矩控制中用轉矩和磁鏈兩個滑?？刂破鱽硖娲鷤鹘y(tǒng)直接轉矩控制中的兩個滯環(huán)調節(jié)器，其輸出通過空間電壓矢量調制保證了逆變器開關頻率恒定。但在滑模切換時存在高頻振動問題，使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。[0015]傳統(tǒng)永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)中根據(jù)轉矩、磁鏈兩個滯環(huán)控制器輸出以及定子磁鏈的位置所在區(qū)域，從開關表中選擇合適的電壓空間矢量對電機轉矩、磁鏈進行控制。但所能選擇的電壓空間矢量是有限的，而且開關表中對電壓空間矢量的選擇也是比較粗略的，因此會帶來轉矩與磁鏈的脈動大的問題。而且由于只是對電壓空間矢量進行選擇，而沒有利用空間電壓調制的方式，會導致開關頻率的不恒定，不利于系統(tǒng)中逆變器的硬件設計。[0016][I]李耀華，劉衛(wèi)國.永磁同步電機直接轉矩控制不合理轉矩脈動抑制研究[J].西北工業(yè)大學學報，2007,25(5):667-671.[0017][2]PavithraS,SivaprakasamA,ManigandanT.PerformanceImprovementofDTCforInductionMotorwithl2-SectorMethodology[C].PACCj2011，2011，Page(s):1-5.[0018][3]YaohuaLi,GerlingD.VoltagevectorselectionstrategyfortheinteriorPMSMDTCsystem[C].EPE’2011,2011,Page(s):1-9.[0019][4]王曉磊，趙克友，崔培良.永磁同步電機定子磁鏈十二區(qū)間直接轉矩控制[J].青島大學學報，2006，21(4):66-69.[0020][5]YaohuaLi,GerlingD,WeiguoLiu.Anovelswitchingtableusingzerovoltagevectorsfordirecttorquecontrolinpermanentmagnetsynchronousmotor[C].ICEM’2008，2008，Page(s):1-6.[0021][6]孫丹，賀益康，智大為.基于模糊邏輯的永磁同步電動機直接轉矩控制[J].電工技術學報，2003，18(I):33-38.[0022][7]劉軍，劉丁，吳浦升等.基于模糊控制調節(jié)電壓矢量作用時間策略的永磁同步電機直接轉矩控制仿真研究[J].中國電機工程學報2004，24(10):148—152.[0023][8]DanSun,YikangHe,JianGuoZhu.Fuzzylogicdirecttorquecontrolforpermanentmagnetsynchronousmotors[C].WCICAj2004,2004,Page(s):4401-4405,Vol.5.[0024][9]SolimanH,ElbulukME.1mprovingtheTorqueRippleinDTCofPMSMUsingFuzzyLogic[C].IAS，08，2008，Page(s):1-8.[0025][10]RezaeiMM,MirsalimM,MalekianK.1mproveddirecttorquecontrolforinductionmachinedrivesusingfuzzylogicandparticleswarmoptimization[C].EPE-PEMCJ2008,2008,Page(s):1123-1127.[0026][11]張猛，肖曦，李永東.基于區(qū)域電壓矢量表的永磁同步電機直接轉矩預測控制[J].清華大學學報，2008，48(I):1-4.[0027][12]胡虎，李永東.基于區(qū)域電壓矢量表的交流異步電動機直接轉矩預測控制策略研究[J].電工技術學報，2004,19(2):25-30.[0028][13]HuHu,YongdongL1.Predictivedirecttorquecontrolstrategiesofinductionmotorbasedonareavoltagevectorstable[C].IEC0N’03，Page(s):2684-2689,Vol.3.[0029][14]駱光照，李斐，楊南方等.三電平逆變器供電永磁同步電機直接轉矩控制研究[J].西北工業(yè)大學學報，2012，30(I):22-26.[0030][15]劉述喜，王明渝.基于快速空間矢量調制算法的三電平直接轉矩預測控制系統(tǒng)[J].電工技術學報，2009，24(2):35-41.[0031][16]KyoBeumLee,JoongHoSong,IckChoyjetal.TorqueripplereductioninDTCofinductionmotordrivenbythree-levelinverterwithlowswitchingfrequency[J].1EEETransactionsonPowerElectronics,2002,17(2):255-264.[0032][17]KyoBeumLee,JoongHoSong,ChoyI，etal.1mprovementoflow-speedoperationperformanceofDTCforthree-levelinverter-fedinductionmotors[J].1EEETransactionsonIndustrialElectronics,2001,48(5):1006-1014.[0033][18]EscalanteMFjVannierJCjArzandeA.FlyingcapacitormultilevelinvertersandDTCmotordriveapplications[J].1EEETransactionsonIndustrialElectronics,2002，49(4):809-815.[0034][19]LixinTang，LiminZhong，RahmanMF.Anoveldirecttorquecontrolledinteriorpermanentmagnetsynchronousmachinedrivewithlowrippleinfluxandtorqueandfixedswitchingfrequency[J].1EEETransactionsonPowerElectronics,2004，19(2):346-354.[0035][20]劉軍，楚小剛，白華煜.基于參考磁鏈電壓空間矢量調制策略的永磁同步電機直接轉矩控制研究[J].電工技術學報，2005,20(6):11-15.[0036][21]史涔微，邱建琪，金孟加等.永磁同步電動機直接轉矩控制方法的比較研究[J].中國電機工程學報，2005，25(16):141-146.[0037][22]TangLjZhongL，RahmanMF，etal.Anoveldirecttorquecontrolschemeforinteriorpermanentmagnetsynchronousmachinedrivesystemwithlowrippleintorqueandflux,andfixedswitchingfrequency[C].PESC’2002，2002，Page(s):529-534，vol.2.[0038][23]孫丹，賀益康.基于恒定開關頻率空間矢量調制的永磁同步電機直接轉矩控制[J].中國電機工程學報，2005，25(12):112-116.[0039][24]賈洪平，孫丹賀，益康.基于滑模變結構的永磁同步電機直接轉矩控制[J].中國電機工程學報，2006，26(20):134-138.[0040][25]賈洪平，賀益康.永磁同步電機滑模變結構直接轉矩控制[J].電工技術學報，2006，21(I):1-6.[0041][26]童克文，張興，張昱等.基于新型趨近律的永磁同步電動機滑模變結構控制[J].中國電機工程學報，2008，28(21):102-106.[0042][27]MohamedjY.A.DirectInstantaneousTorqueControlinDirectDrivePermanentMagnetSynchronousMotors—aNewApproach[J].1EEETransactionsonEnergyConversion,2007，22(4):829-838.[0043][28]ShaojingWen;FengxiangWang.SensorlessdirecttorquecontrolofhighspeedPMSMbasedonvariablestructureslidingmode[C].ICEMS，2008，2008，Page(s):995-998.【【
發(fā)明內容】】[0044]本發(fā)明的目的在于提供一種基于無差拍的永磁同步電機直接轉矩控制方法，以解決現(xiàn)有控制方法帶來轉矩與磁鏈的脈動大、開關頻率不恒定的問題。[0045]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:[0046]—種基于無差拍的永磁同步電機直接轉矩控制方法，包括以下步驟:[0047]I)、k-Ι時刻，三相電流檢測單元檢測的兩相電流ia、ib輸入三相靜止到兩相靜止坐標變換單元，經3/2坐標變換得到靜止兩相坐標系下的ia、ie電流；由直流母線電壓檢測單元檢測的母線電壓Udc和逆變器開關狀態(tài)SA、SB、Sc輸入定子電壓計算模塊構成三相電壓ua、ub、u。，并進行3/2坐標變換得到靜止兩相坐標系下的電壓ua、U0;[0048]2)、磁鏈與轉矩估算器根據(jù)輸入的電流ia、ie，電壓ua、ue，以及PMSM轉子的初始位置Grt決定的定子磁鏈初始值計算得到實際轉矩幅值I；、定子實際磁鏈幅值IVsU定子實際磁鏈位置Qs、實際定子磁鏈矢量Vs;[0049]3)、定子參考磁鏈矢量計算器根據(jù)定子實際磁鏈幅值IVs1、實際轉矩幅值Te應用公式(7)計算出k-Ι時刻實際轉矩角δ(k-Ι);根據(jù)定子參考磁鏈幅值IΨ3、參考轉矩幅值<應用公式(7)計算出k時刻參考轉矩角δ*(10;參考轉矩角δ*(10與仏-1)1；相加后減去實際轉矩角S(k-Ι)，得到k時刻定子參考磁鏈矢量<(幻與k-ι時刻定子實際磁鏈矢量Vs(k-1)之間的角度差值ΛS*(k);角度差值ΛS*(k)與k一I時刻定子磁鏈矢量實際的位置角es(k-1)相加，得到k時刻定子參考磁鏈矢量的位置角<(幻；k時刻定子參考磁鏈矢量的位置角《0)和參考定子磁鏈幅值IΨ3通過公式(3)計算，得到k時刻參考定子磁鏈矢量;【權利要求】1.一種基于無差拍的永磁同步電機直接轉矩控制方法，其特征在于，包括以下步驟:1)、k-1時刻，三相電流檢測單元檢測的兩相電流ia、ib輸入三相靜止到兩相靜止坐標變換單元，經3/2坐標變換得到靜止兩相坐標系下的ia、ie電流；由直流母線電壓檢測單元檢測的母線電壓Udc和逆變器開關狀態(tài)SA、Sb、S。輸入定子電壓計算模塊構成三相電壓ua、ub、uc,并進行3/2坐標變換得到靜止兩相坐標系下的電壓ua、U0;2)、磁鏈與轉矩估算器根據(jù)輸入的電流ia、iβ，電壓ua、uβ，以及PMSM轉子的初始位置θr0決定的定子磁鏈初始值計算得到實際轉矩幅值TE；、定子實際磁鏈幅值|Ψs|定子實際磁鏈位置θs、實際定子磁鏈矢量Ψs;3)、定子參考磁鏈矢量計算器根據(jù)定子實際磁鏈幅值|Ψs|實際轉矩幅值Te應用公式(7)計算出k-1時刻實際轉矩角δ(k-1);根據(jù)定子參考磁鏈幅值|Ψs|*參考轉矩幅值T*e應用公式(7)計算出k時刻參考轉矩角δ*(k);參考轉矩角δ*(k)與ωr(k-l)Ts相加后減去實際轉矩角δ(k-1)，得到k時刻定子參考磁鏈矢量Ψ*s(k)與k-1時刻定子實際磁鏈矢量Ψs(k-1)之間的角度差值ΔS*(k);角度差值ΔS*(k)與k一I時刻定子磁鏈矢量實際的位置角θs(k-1)相加，得到k時刻定子參考磁鏈矢量的位置角θ*s(k);k時刻定子參考磁鏈矢量的位置角θ*s(k)和參考定子磁鏈幅值|Ψs|*通過公式(3)計算，得到k時刻參考定子磁鏈矢量Ψ*s(k)；【文檔編號】H02P21/00GK103684169SQ201310590470【公開日】2014年3月26日申請日期:2013年11月19日優(yōu)先權日:2013年11月19日【發(fā)明者】王躍,王斌申請人:西安交通大學