CN101771380A - 直接转矩控制的变频器空间矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

一种直接转矩控制的变频器空间矢量调制方法，涉及空间矢量调制方法，采用PI调节器控制的直接转矩控制方案，解决了低转速下转矩脉动大的问题。该控制方法以高精度速度辨识算法为基础，直接以磁链和转矩作为控制量，只需在定子坐标系下分析交流电机数学模型，不受转子参数随速度变化而变化的影响，鲁棒性好，且省掉了反馈侧复杂的旋转坐标变换；同时为减小转矩脉动，它摈弃了传统直接转矩控制所采用的砰-砰控制，吸收矢量控制连续平滑的调节特点，转矩和磁链误差经PI调节器后，再采用空间矢量PWM调制策略控制逆变器输出，产生期望的SVPWM调制信号，提高电机的动、静态性能，适用于低转速大转矩负载。

Description

直接转矩控制的变频器空间矢量调制方法

技术领域

本发明涉及空间矢量调制方法，具体说是一种直接转矩控制的变频器空间矢量调制方法。

技术背景

我们知道，变频器拓扑结构如图1所示，包括滤波电路1、整流电路2、缓冲电路3、储能电路4、能量泄放电路5和逆变电路6。滤波电路1为电容C1、C2、C3的一端分别与电网L1、L2、L3相连，另一端共同接在电容C4的一端，C4另一端接在安全地PE上，电容C5、C6、C7的一端分别接在电网L1、L2、L3与电感L的三个端子a、b、c之间，另一端接在安全地PE上。压敏电阻RV1、RV2、RV3分别接在电网L1-L2、L2-L3、L3-L1之间，其作用是吸收浪涌电流和过压保护。电感L是三相共模电感，每相结构相同，并且绕在同一铁芯上，其作用是滤掉共模电磁干扰；整流电路2由6个二极管组成，两两串联组成一个桥臂，三个桥臂再并联，用于把三相交流电整流成直流电，三个桥臂的中间分别接在电感L的三个端子d、e、f上；缓冲电路3由继电器常开触点K1和电阻R并联组成，用于减小上电时缓冲电路中电解电容的充电电流；储能电路4由电解电容C8、C9串联，R1和R2串联组成，然后将其中间点短接，用于减小直流电压的波动；能量泄放电路5由电阻R3与二极管D7并联再与IGBT Q7串联组成，用于泄放变频器制动时电动机的回馈能量；逆变电路6由6个IGBT Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6组成，每个IGBT分别与二极管D8、D9、D10、D11、D12、D13反并联连接，用于将直流电逆变为幅值和频率均可调的三相交流电，反并联的6个二极管在变频器制动时为电动机回馈能量提供续流通路。这种直接转矩控制的变频器采用滞环控制，通过查表的方法选择合适的空间电压矢量，从而实现传动系统转矩和磁链的直接控制。控制定子磁链不受转子参数随转速变化而变化的影响，采用转矩和定子磁链的砰-砰控制避开了旋转坐标变换，简化了控制结构，动态响应快。但滞环控制会产生较大的磁链脉动和转矩脉动，低速和零速性能不佳等诸多缺点，无法满足高动态性能应用场合要求。

技术方案：

本发明解决的技术问题是，解决滞环控制会产生磁链和转矩脉动、低速和零速性能不佳等诸多缺点，无法满足高动态性能应用场合要求。提供一种转矩和磁链脉动幅值小，低速和零速性能好，具有快速的动态响应，可以满足高动态性能应用场合要求、系统鲁棒性好的直接转矩控制的变频器空间矢量调制方法。

本发明的技术方案是，直接转矩控制的变频器空间矢量调制方法，其特征是该方法由下述步骤组成：

(1)、变频器直流母线电压U_dc经采样后，与开关信号S_A，S_B，S_C计算出ABC坐标系下电压矢量信号 $U_A=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{dc}},& S_A=1\\ 0,& S_A=0\end{array}\right.,$ $U_B=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{dc}},& S_B=1\\ 0,& S_B=0\end{array}\right.,$ $U_C=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{dc}},& S_C=1\\ 0,& S_C=0\end{array}\right.,$ 根据变换公式 $U_{\mathrm{s\α}}=\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_A,$ $U_{\mathrm{s\β}}=\frac{1}{\sqrt{2}}{U}_A+\sqrt{2}{U}_B,$ 将U_A，U_B，U_C变换为αβ坐标系下的定子电压信号U_sα和U_sβ；

(2)逆变器输出A相电流I_A和B相电流I_B经霍尔电流传感器采样后，根据三相电流和为零的原则，可计算出ABC坐标系下的C相电流I_C，再根据坐标变换公式 $I_{\mathrm{s\α}}=\sqrt{\frac{3}{2}}{I}_A,$ $I_{\mathrm{s\β}}=\frac{1}{\sqrt{2}}{I}_A+\sqrt{2}{I}_B$ 得到定子电流信号I_sα和I_sβ；

(3)将U_sα、U_sβ、I_sα和I_sβ输入磁链和转矩观测器，先根据公式ψ_sα＝∫(U_sα-R_si_sα)dt和ψ_sβ＝∫(U_sβ-R_si_sβ)dt计算出定子磁链分量ψ_sα和ψ_sβ。再根据公式 ${\mathrm{\ψ}}_s=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2},$ $T_e=\frac{3P}{4}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{s\α}})$ 和 ${\mathrm{\θ}}_e=\arcsin \frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}{{\mathrm{\ψ}}_s}$ 计算出定子磁链ψ_s、转矩T_e和定子磁链矢量角θ_e；

(4)、将定子给定磁链ψ_s ^*与磁链反馈信号ψ_s相比较，产生磁链误差信号Δψ_s送入磁链PI控制器；将给定转矩T_e ^*与转矩反馈信号T_e相比较，产生转矩误差信号ΔT_e送入转矩PI控制器。磁链控制器与转矩控制器分别对Δψ_s和ΔT_e进行比例和积分运算，然后根据磁链、转矩与定子磁链坐标定向的定子电压关系 $U_{\mathrm{smc}}=R_s{I}_{\mathrm{sm}}+\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_s,$ $U_{\mathrm{stc}}={\mathrm{\ψ}}_s\frac{d{\mathrm{\θ}}_e}{\mathrm{dt}}+\frac{4T_e{R}_s}{3P{\mathrm{\ψ}}_s}$ 输出定子磁链坐标定向m-t的定子给定电压的两个分量U_smc和U_stc，它们都是直流电压量；

(5)、将U_smc、U_stc与定子磁链矢量角θ_e通过坐标变换公式U_sαc＝U_smccosθ_e-U_stcsinθ_e、U_sβc＝U_smcsinθ_e+U_stccosθ_e变换成静止坐标系α-β下的电压矢量U_sαc和U_sβc；

(6)、将电压矢量U_sαc和U_sβc进行空间电压矢量调制，产生开关动作信号S_A，S_B，S_C来控制逆变器中IGBT的通断，获得期望的SVPWM调制信号。

本发明的有益效果是，直接转矩控制的变频器空间矢量调制方法是以高精度速度辨识算法为基础，直接以磁链和转矩作为控制量，只需在定子坐标系下分析交流电机数学模型，不受转子参数随转速变化而变化的影响，鲁棒性好，且省掉了反馈侧复杂的旋转坐标变换；同时为减小转矩脉动，它摒弃了传统直接转矩控制所采用的砰-砰控制，吸收矢量控制连续平滑的调节特点，解决了零速和低速性能不佳、高电流和转矩脉动等问题，提高了电机的动、静态性能，本发明适用于低转速大转矩负载。

附图说明

图1是变频器拓扑结构图。

图2是本发明直接转矩控制的变频器空间矢量调制方法框图。

具体实施方式

如图2所示的一种直接转矩控制的变频器空间矢量调制方法，变频器直流母线电压U_dc经采样后，与开关信号S_A，S_B，S_C计算出ABC坐标系下电压矢量信号 $U_A=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{dc}},& S_A=1\\ 0,& S_A=0\end{array}\right.,$ $U_B=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{dc}},& S_B=1\\ 0,& S_B=0\end{array}\right.,$ $U_C=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{dc}},& S_C=1\\ 0,& S_C=0\end{array}\right.,$ 根据变换公式 $U_{\mathrm{s\α}}=\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_A,$ $U_{\mathrm{s\β}}=\frac{1}{\sqrt{2}}{U}_A+\sqrt{2}{U}_B,$ 将U_A，U_B，U_C变换为αβ坐标系下的定子电压信号U_sα和U_sβ；逆变器输出A相电流I_A和B相电流I_B经霍尔电流传感器采样后，根据三相电流和为零的原则，可计算出ABC坐标系下的C相电流I_C，再根据坐标变换公式 $I_{\mathrm{s\α}}=\sqrt{\frac{3}{2}}{I}_A,$ $I_{\mathrm{s\β}}=\frac{1}{\sqrt{2}}{I}_A+\sqrt{2}{I}_B$ 得到定子电流信号I_sα和I_sβ；将U_sα、U_sβ、I_sα和I_sβ输入磁链和转矩观测器，先根据公式ψ_sα＝∫(U_sα-R_si_sα)dt和ψ_sβ＝∫(U_sβ-R_si_sβ)dt计算出定子磁链分量ψ_sα和ψ_sβ，R_s是电动机定子电阻。再根据公式 ${\mathrm{\ψ}}_s=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2},$ $T_e=\frac{3P}{4}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{s\α}})$ 和 ${\mathrm{\θ}}_e=\arcsin \frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}{{\mathrm{\ψ}}_s}$ 计算出定子磁链ψ_s、转矩T_e和定子磁链矢量角θ_e，P是电机极对数；将定子给定磁链ψ_s ^*与磁链反馈信号ψ_s相比较，产生磁链误差信号Δψ_s送入磁链PI控制器；将给定转矩T_e ^*与转矩反馈信号T_e相比较，产生转矩误差信号ΔT_e送入转矩PI控制器。磁链控制器与转矩控制器分别对Δψ_s和ΔT_e进行比例和积分运算，然后根据磁链、转矩与定子磁链坐标定向的定子电压关系 $U_{\mathrm{smc}}=R_s{I}_{\mathrm{sm}}+\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_s,$ $U_{\mathrm{stc}}={\mathrm{\ψ}}_s\frac{d{\mathrm{\θ}}_e}{\mathrm{dt}}+\frac{4T_e{R}_s}{3P{\mathrm{\ψ}}_s}$ 输出定子磁链坐标定向m-t的定子给定电压的两个分量U_smc和U_stc，它们都是直流电压量，U_smc、U_stc与定子磁链矢量角θ_e通过坐标变换公式U_sαc＝U_smccosθ_e-U_stcsinθ_e、U_sβc＝U_smcsinθ_e+U_stccosθ_e变换成静止坐标系α-β下的电压矢量U_sαc和U_sβc，U_sαc和U_sβc经过空间电压矢量调制，产生开关动作信号S_A，S_B，S_C来控制逆变器中IGBT的通断，获得期望的SVPWM调制信号。

基于直接转矩控制的变频器空间矢量调制方法，特征是控制定子磁链，以空间矢量概念，通过检测定子电压、电流，在定子静止坐标系下，计算控制电动机的磁链和转矩，获得转矩的高动态性能。它不需要将交流电动机的数学模型简化成等效直流电动机模型，因而省去矢量变换中的许多复杂计算，且控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便地估算出同步速度信息，同时容易得到转矩模型，磁链模型和转矩模型共同构成完整的电动机模型，因而方便地实现无速度传感器控制，本发明采用的PI调节器的直接转矩控制方案，解决了低转速下转矩脉动大的问题。该控制方法以高精度速度辨识算法为基础，直接以磁链和转矩作为控制量，只需在定子坐标系下分析交流电机数学模型，不受转子参数随速度变化而变化的影响，鲁棒性好，且省掉了反馈侧复杂的旋转坐标变换；同时为减小转矩脉动，它摈弃了传统直接转矩控制所采用的砰-砰控制，吸收矢量控制连续平滑的调节特点，转矩和磁链误差经PI调节器后，再采用空间矢量PWM调制策略控制逆变器输出，提高电机的动、静态性能。

Claims (1)

1.一种直接转矩控制的变频器空间矢量调制方法，其特征是该方法由下述步骤组成：

(1)、变频器宜流母线电压U_dc经采样后，与开关信号S_A，S_B，S_C计算出ABC坐标系下电压矢量信号 $U_A=\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}},S_A=1\\ 0,S_A=0\end{array}\right.,$ $U_B=\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}},S_B=1\\ 0,S_B=0\end{array}\right.,$ $U_C=\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}},S_C=1\\ 0,S_C=0\end{array}\right.,$ 根据变换公式 $U_{\mathrm{s\α}}=\sqrt{\frac{3}{2}}{U}_A,$ $U_{\mathrm{s\β}}=\frac{1}{\sqrt{2}}{U}_A+\sqrt{2}{U}_B,$ 将U_A，U_B，U_C变换为αβ坐标系下的定子电压信号U_sα和U_sβ；

(2)逆变器输出A相电流I_A和B相电流I_B经霍尔电流传感器采样后，根据三相电流和为零的原则，可计算出ABC坐标系下的C相电流I_C，再根据坐标变换公式 $I_{\mathrm{s\α}}=\sqrt{\frac{3}{2}}{I}_A,$ $I_{\mathrm{s\β}}=\frac{1}{\sqrt{2}}{I}_A+\sqrt{2}{I}_B$ 得到定子电流信号I_sα和I_sβ；

(3)将U_sα、U_sβ、I_sα和I_sβ输入磁链和转矩观测器，先根据公式ψ_sα＝∫(U_sα-R_si_sα)dt和ψ_sβ＝∫(U_sβ-R_si_sβ)dt计算出定子磁链分量ψ_sα和ψ_sβ。再根据公式 ${\mathrm{\ψ}}_s=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2},$ $T_e=\frac{3P}{4}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{s\α}})$ 和 ${\mathrm{\θ}}_e=\arcsin \frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}{{\mathrm{\ψ}}_s}$ 计算出定子磁链ψ_s、转矩T_e和定子磁链矢量角θ_e；

(4)、将定子给定磁链ψ_s ^*与磁链反馈信号ψ_s相比较，产生磁链误差信号Δψ_s送入磁链PI控制器；将给定转矩T_e ^*与转矩反馈信号T_e相比较，产生转矩误差信号ΔT_e送入转矩PI控制器。磁链控制器与转矩控制器分别对Δψ_s和ΔT_e进行比例和积分运算，然后根据磁链、转矩与定子磁链坐标定向的定子电压关系 $U_{\mathrm{smc}}=R_s{I}_{\mathrm{sm}}+\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_s,$ $U_{\mathrm{stc}}={\mathrm{\ψ}}_s\frac{d{\mathrm{\θ}}_e}{\mathrm{dt}}+\frac{4T_e{R}_s}{3P{\mathrm{\ψ}}_s}$ 输出定子磁链坐标定向m-t的定子给定电压的两个分量U_smc和U_stc，它们都是直流电压量；

(5)、将U_smc、U_stc与定子磁链矢量角θ_e通过坐标变换公式U_sαc＝U_smccosθ_e-U_stcsinθ_e、U_sβc＝U_smcsinθ_e+U_stccosθ_e变换成静止坐标系α-β下的电压矢量U_sαc和U_sβc；

(6)、将电压矢量U_sαc和U_sβc进行空间电压矢量调制，产生开关动作信号S_A，S_B，S_C来控制逆变器中IGBT的通断，获得期望的SVPWM调制信号。

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