CN101931362B - 一种永磁同步电机的直接转矩控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种永磁同步电机的直接转矩控制装置及控制方法，逆变器的直流母线电压和永磁同步电机的电流信号输出给信号检测电路，信号检测电路将其输出给处理器，同时永磁同步电机的转速脉冲信号输出给处理器，处理器进行处理后得到适当的开关信号输出给逆变器，进而控制电机。本方法根据磁链误差和转矩误差，以及定子磁链在十二个扇区中所处的位置，在合成的十二个电压矢量中选择合适的电压矢量，并根据转矩误差，实时确定出所选电压矢量的占空比，进而产生适当的逆变器开关信号以控制永磁同步电机。本发明增加了传统直接转矩控制中的可选电压矢量个数，同时根据转矩误差实时调节作用矢量的占空比，可有效降低传统直接转矩控制中的转矩脉动。

Description

一种永磁同步电机的直接转矩控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于交流电机传动技术领域，具体涉及一种永磁同步电机的直接转矩控制装置，本发明还涉及采用该装置进行控制的方法。

背景技术

直接转矩控制（DTC）是一种高性能的交流电机调速控制策略，已在异步电机上广泛应用。直接转矩控制方法是将电机的定子磁链与电磁转矩作为被控量，根据给定转矩、给定磁链与其计算值的误差，并结合定子磁链的位置，直接选择电压矢量。与矢量控制相比，直接转矩控制具有控制方式简单、转矩响应迅速、便于实现全数字化的优点。目前，该控制方式的应用也已经拓展到永磁同步电机（PMSM）上。

在永磁同步电机直接转矩控制中，电压矢量的选择仅限于六个基本电压矢量，可供选择的电压矢量非常少，而且在一个采样周期中只作用一个电压矢量，六个基本电压矢量难以满足磁链和转矩控制的双重需求，这会导致系统产生较大的磁链和转矩脉动，同时直接转矩控制中采用滞环控制器控制转矩和磁链，使得功率器件开关频率不恒定，一定程度上也会造成较大的磁链和转矩脉动，因此直接转矩控制具有转矩和磁链脉动大、逆变器开关频率不恒定等缺点。目前典型的解决方法是采用空间电压矢量脉宽调制技术，但是该方法通常需要对直接转矩控制方法进行改进，增加了控制的复杂性，同时实现空间矢量脉宽调制也需要大量的计算。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁同步电机的直接转矩控制装置，解决了现有转矩控制方法控制复杂、实现空间矢量脉宽调制需要大量计算的问题。

本发明的另一目的是提供一种利用上述装置进行控制的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种永磁同步电机的直接转矩控制装置，包括逆变器，逆变器分别与信号检测电路、永磁同步电机、处理器相连接，信号检测电路、永磁同步电机及处理器之间两两连接，处理器包括依次连接的电压电流计算模块、磁链转矩和定子磁链角计算模块及PI控制模块，电压电流计算模块的输入端与信号检测电路相连接，PI控制模块分别与转矩滞环控制模块的输入端、磁链滞环控制模块的输入端相连接，转矩滞环控制模块的输出端、磁链滞环控制模块的输出端分别与开关电压矢量表模块的输入端相连接，开关电压矢量表模块的输出端依次与占空比计算模块、逆变器相连接。

本发明所采用的另一技术方案是，一种采用永磁同步电机的直接转矩控制装置进行控制的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：永磁同步电机输出转速给定值                                                

作为给定信号给处理器，同时信号检测电路检测出逆变器的直流母线电压、永磁同步电机的a、b相定子电流

、

及永磁同步电机的实际转速

，传输给处理器；

步骤2：处理器根据上步得到的永磁同步电机转速给定值

、逆变器的直流母线电压

、永磁同步电机的a、b相定子电流

、

及永磁同步电机的实际转速，实现控制算法，输出相应的控制信号给逆变器，控制永磁同步电机的实际转速跟踪上给定转速。

本发明的有益效果是，

（1）采用矢量合成技术合成了更多的空间电压矢量，增加了传统直接转矩控制中的可选矢量个数；

（2）采用根据转矩误差实时确定作用电压矢量占空比的控制方法，可有效降低传统直接转矩控制中的转矩脉动；

（3）采用的控制方法简单且易于实现。

附图说明

图1是本发明控制装置的结构示意图；

图2是本发明控制方法中采用的磁链坐标示意图；

图3是本发明控制方法中电压矢量和扇区分布示意图。

图中，1.逆变器，2.信号检测电路，3.永磁同步电机，4.处理器，5.电压电流计算模块，6.磁链转矩和定子磁链角计算模块，7.PI控制模块，8.转矩滞环控制模块，9.磁链滞环控制模块，10.开关电压矢量表模块，11.占空比计算模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明永磁同步电机的直接转矩控制装置的结构，如图1所示，包括逆

变器1，逆变器1分别与信号检测电路2、永磁同步电机3、处理器4相连接，信号检测电路2、永磁同步电机3及处理器4之间两两连接，处理器4包括依次连接的电压电流计算模块5、磁链转矩和定子磁链角计算模块6及PI控制模块7，电压电流计算模块5的输入端与信号检测电路2相连接，PI控制模块7分别与转矩滞环控制模块8的输入端、磁链滞环控制模块9的输入端相连接，转矩滞环控制模块8的输出端、磁链滞环控制模块9的输出端分别与开关电压矢量表模块10的输入端相连接，开关电压矢量表模块10的输出端依次与占空比计算模块11、逆变器1相连接。

本发明采用永磁同步电机的直接转矩控制装置进行控制的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：永磁同步电机3输出转速给定值作为给定信号给处理器4，同时信号检测电路2检测出逆变器1的直流母线电压

、永磁同步电机3的a、b相定子电流

、

及永磁同步电机3的实际转速

，传输给处理器4；

步骤2：处理器4根据上步得到的永磁同步电机3转速给定值

、逆变器1的直流母线电压

、永磁同步电机3的a、b相定子电流

、

及永磁同步电机3的实际转速

，实现控制算法，输出相应的控制信号给逆变器1，控制永磁同步电机3的实际转速跟踪上给定转速。

采用的控制算法具体按照以下步骤实施：

a）电压电流计算模块5将定子电流

、

进行坐标变换得到在

坐标系下的电流分量

和

，同时逆变器1将开关状态信号传输给电压电流计算模块5，电压电流计算模块5根据开关状态信号及直流母线电压

，计算得到电压在

坐标系下的电压分量

和

，电压电流计算模块5将电流分量

、

和电压分量

、

送至磁链转矩和定子磁链角计算模块6；

具体算法如下：

                    （1）

               （2）

式中，

、、

是当前时刻逆变器1的开关信号。

b）磁链转矩和定子磁链角计算模块6利用上步得到的电流分量

、

和电压分量、

，计算得到定子磁链在

坐标系下的磁链分量

、

，定子磁链幅值

、电磁转矩

及定子磁链角度

；具体算法如下：

                   （3）

                   （4）

                     （5）

                  （6）

                      （7）

式中，

为永磁同步电机的定子电阻，

为永磁同步电机的极对数。

 c）将设定的永磁同步电机3转速给定值

和转速反馈值

进行相减，得到转速误差

，将转速误差

输入至PI控制模块7，进行PI调节后，得到转矩给定值

，具体算法如下：

                        （8）

                    （9）

式中，

是PI控制器的比例系数，是PI控制器的积分系数，

，

。

d）将PI控制模块7输出的转矩给定值

与磁链转矩和定子磁链角计算模块6输出的电磁转矩相减，得到转矩误差

，将转矩误差

输入至转矩滞环控制模块8，经过转矩滞环控制后，得到转矩误差信号

；具体算法如下：

                       （10）

                 （11）

式中，

是设定的转矩滞环控制器的滞环宽度，

。

e）将设定的永磁同步电机3磁链给定值与磁链转矩和定子磁链角计算模块6输出的定子磁链幅值

相减，得到磁链误差，将转矩误差

输入至磁链滞环控制模块9，经过磁链滞环控制后，得到磁链误差信号

；具体算法如下：

                      （12）

                 （13）

式中

是设定的转矩滞环控制器的滞环宽度，。

f）将转矩滞环控制模块8输出的转矩误差信号

，磁链滞环控制模块9输出的磁链误差信号，磁链转矩和定子磁链角计算模块6输出的定子磁链角

，输入至开关电压矢量表模块10，在开关电压矢量表模块10中首先根据定子磁链角

进行扇区判断，确定出定子磁链所在扇区Sector后，再在预定的电压矢量表中根据转矩和磁链误差信号选择出作用的电压矢量u _k ；电压矢量的选择依据以定子磁链运行在Sector1中并逆时针运转为例，若磁链滞环控制模块9输出的磁链误差信号

为1，表示要增大磁链值，可选电压矢量u ₂或者u ₆；若此时转矩滞环控制模块8输出的转矩误差信号

为0，表示要减小转矩值，可选电压矢量u ₅或者u ₆。综合考虑，满足增大磁链并且减小转矩以实现逆时针运行的空间电压矢量是u ₆。具体如表1、表2所示：

1  定子磁链角θ与扇区sector的关系表

θ	Sector	θ	Sector
				[-π/12, π/12)	1	[11π/12,13π/12)	7
[π/12,3π/12)	2	[13π/12,15π/12)	8
				[3π/12,5π/12)	3	[15π/12,17π/12)	9
[5π/12,7π/12)	4	[17π/12,-5π/12)	10
				[7π/12,9π/12)	5	[-5π/12,-3π/12)	11
[9π/12,11π/12)	6	[-π/12,-3π/12)	12

表2  电压矢量选择表

g）将上步得到的开关电压矢量表模块10输出的电压矢量u _k 输入至占空比计算模块11中，同时也将当前时刻转矩误差

输入至占空比计算模块11中，经过占空比计算后，确定出作用电压矢量的占空比

，进而得到逆变器1所需要的三相开关控制信号

、、

，控制永磁同步电机3的实际转速跟踪上给定转速。具体算法如下：

        首先确定出定转子磁链之间的夹角

，公式如下：

         （14）

式中，

为永磁同步电机的转子永磁体磁链；

、

为电感的d、q轴分量。该式中电磁转矩可以通过磁链转矩和定子磁链角计算模块6计算出来，因此根据上式即可确定出定转子磁链夹角

与电磁转矩的关系，而后再依据如下公式，确定出作用电压矢量的占空比

。

          （15）

式中，

为控制系统采样周期。在占空比的计算中，如果占空比

>1，则在整个采样周期中都作用所选择的电压矢量，如果<0，则认为整个采样周期中都作用零矢量。为了保证

，做如下处理：

                      （16）

那么最终作用的电压矢量u _s 可以表示为：

                         （17）

        用开关状态表示的逆变器输出空间电压矢量为u _i(S _a S _b S _c )，包括u ₁(100)、u ₂(110)、u ₃ (010)、u ₄(011)、u ₅(001)、u ₆(101)和2个零矢量u ₀(000)，u ₇(111)。对于合成矢量u ₁₂可表示为电压矢量u ₁和u ₂各作用一半的时间，即合成矢量u ₁₂，其余合成矢量依此类推，从而可以确定出逆变器所需的三相开关控制信号

、

和

。

图2是磁链坐标示意图，包括静止坐标系和旋转坐标系dq，定子磁链

与静止坐标系中

轴的夹角为定子磁链角

，永磁同步电机的转子是永磁体励磁的，将d轴固定在转子励磁轴线上，逆时针旋转方向超前d轴90^。空间电角度为q轴，转子永磁体磁链与d轴方向一致，定子磁链与转子磁链之间的夹角为

，即负载角。

图3是电压矢量和扇区分布示意图，电压矢量包括六个基本电压矢量u ₁、u ₂、u ₃、u ₄、u ₅、u ₆和六个合成矢量u ₁₂、u ₂₃、u ₃₄、u ₄₅、u ₅₆、u ₆₁，这十二个个电压矢量相互间隔30°。同时将整个平面划分为十二个扇区，即S ₁-S ₁₂扇区，每个扇区跨度30°，电压矢量则位于每个扇区的角平分线上。

Claims (6)

1.一种采用永磁同步电机的直接转矩控制装置进行控制的方法，其特征在于，采用一种永磁同步电机的直接转矩控制装置，该装置的结构为：包括逆变器（1），逆变器（1）分别与信号检测电路（2）、永磁同步电机（3）、处理器（4）相连接，信号检测电路（2）、永磁同步电机（3）及处理器（4）之间两两连接，所述的处理器（4）包括依次连接的电压电流计算模块（5）、磁链转矩和定子磁链角计算模块（6）及PI控制模块（7），电压电流计算模块（5）的输入端与信号检测电路（2）相连接，PI控制模块（7）分别与转矩滞环控制模块（8）的输入端、磁链滞环控制模块（9）的输入端相连接，转矩滞环控制模块（8）的输出端、磁链滞环控制模块（9）的输出端分别与开关电压矢量表模块（10）的输入端相连接，开关电压矢量表模块（10）的输出端依次与占空比计算模块（11）、逆变器（1）相连接，所述的开关电压矢量表模块（10）中电压矢量包括六个基本电压矢量u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆和六个合成矢量u₁₂、u₂₃、u₃₄、u₄₅、u₅₆、u₆₁，这十二个电压矢量相互间隔30°，同时将整个平面划分为十二个扇区，即S₁-S₁₂扇区，每个扇区跨度30°，电压矢量则位于每个扇区的角平分线上，

该方法具体按照以下步骤实施：

步骤1：永磁同步电机（3）输出转速给定值作为给定信号给处理器（4），同时信号检测电路（2）检测出逆变器（1）的直流母线电压u_DC、永磁同步电机（3）的a、b相定子电流i_a、i_b及永磁同步电机（3）的实际转速ω_r，传输给处理器（4）；

步骤2：处理器（4）根据上步得到的永磁同步电机（3）转速给定值

逆变器（1）的直流母线电压u_DC、永磁同步电机（3）的a、b相定子电流i_a、i_b及永磁同步电机（3）的实际转速ω_r，实现控制算法，输出相应的控制信号给逆变器（1），控制永磁同步电机（3）的实际转速跟踪上给定转速，所述的控制算法具体按照以下步骤实施：

a）电压电流计算模块（5）将定子电流i_a、i_b进行坐标变换得到在αβ坐标系下的电流分量i_α和i_β，同时逆变器（1）将开关状态信号传输给电压电流计算模块（5），电压电流计算模块（5）根据开关状态信号及直流母线电压u_DC，计算得到电压在αβ坐标系下的电压分量u_α和u_β，电压电流计算模块（5）将电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β送至磁链转矩和定子磁链角计算模块（6）；

b）磁链转矩和定子磁链角计算模块（6）利用上步得到的电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，计算得到定子磁链在αβ坐标系下的磁链分量ψ_α、ψ_β，定子磁链幅值|ψ_s|、电磁转矩T_e及定子磁链角度θ；

c）将设定的永磁同步电机（3）转速给定值和转速反馈值ω_r进行相减，得到转速误差ε_ω，将转速误差ε_ω输入至PI控制模块（7），进行PI调节后，得到转矩给定值

具体按照以下步骤实施：

$e_{\mathrm{\&omega;}}={\mathrm{\&omega;}}_r^{*}-{\mathrm{\&omega;}}_r,$

$T_e^{*}=K_P{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{\&omega;}}+K_I{\&Integral;\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{\&omega;}}\mathrm{dt};$

式中，K_P是PI控制器的比例系数，K_I是PI控制器的积分系数，K_P>0，K_I>0；

d）将PI控制模块（7）输出的转矩给定值

与磁链转矩和定子磁链角计算模块（6）输出的电磁转矩T_e相减，得到转矩误差ε_T，将转矩误差ε_T输入至转矩滞环控制模块（8），经过转矩滞环控制后，得到转矩误差信号C_T；

e）将设定的永磁同步电机（3）磁链给定值

与磁链转矩和定子磁链角计算模块（6）输出的定子磁链幅值|ψ_s|相减，得到磁链误差ε_ψ，将转矩误差ε_ψ输入至磁链滞环控制模块（9），经过磁链滞环控制后，得到磁链误差信号C_ψ；

f）将转矩滞环控制模块（8）输出的转矩误差信号C_T，磁链滞环控制模块（9）输出的磁链误差信号C_ψ，磁链转矩和定子磁链角计算模块（6）输出的定子磁链角θ，输入至开关电压矢量表模块（10），在开关电压矢量表模块（10）中首先根据定子磁链角θ进行扇区判断，确定出定子磁链所在扇区后，再在预定的电压矢量表中根据转矩和磁链误差信号选择出作用的电压矢量u_k；

g）将上步得到的开关电压矢量表模块（10）输出的电压矢量u_k输入至占空比计算模块（11）中，同时也将当前时刻转矩误差ε_T输入至占空比计算模块（11）中，经过占空比计算后，确定出作用电压矢量的占空比γ，进而得到逆变器（1）所需要的三相开关控制信号S_a、S_b、S_c，控制永磁同步电机（3）的实际转速跟踪上给定转速。

2.根据权利要求1所述的采用永磁同步电机的直接转矩控制装置进行控制的方法，其特征在于，所述的电压电流计算模块（5）将定子电流i_a、i_b进行坐标变换得到在αβ坐标系下的电流分量i_α和i_β，电压电流计算模块（5）根据开关状态信号及直流母线电压u_DC，计算得到电压在αβ坐标系下的电压分量u_α和u_β，具体按照以下步骤实施：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ i_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{3}{2}}& 0\\ \frac{\sqrt{2}}{2}& \sqrt{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ u_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}{u}_{\mathrm{DC}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right],$

式中，S_a、S_b、S_c是当前时刻逆变器（1）的开关信号。

3.根据权利要求1所述的采用永磁同步电机的直接转矩控制装置进行控制的方法，其特征在于，所述的磁链转矩和定子磁链角计算模块（6）利用电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，计算得到定子磁链在αβ坐标系下的磁链分量ψ_α、ψ_β，定子磁链幅值|ψ_s|，电磁转矩T_e及定子磁链角度θ，具体按照以下步骤实施：

ψ_α＝∫(u_α-R_s·i_α)dt，

ψ_β＝∫(u_β-R_s·i_β)dt，

$\left|{\mathrm{\&psi;}}_s\right|=\sqrt{{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}}^2+{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&beta;}}}^2},$

$T_e=\frac{3}{2}{n}_p({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}{i}_{\mathrm{\&beta;}}-{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&beta;}}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}),$

$\mathrm{\&theta;}=\mathrm{arctg}\left(\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&beta;}}}{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{\&alpha;}}}\right),$

式中，R_s为永磁同步电机（3）的定子电阻，n_p为永磁同步电机（3）的极对数。

4.根据权利要求1所述的采用永磁同步电机的直接转矩控制装置进行控制的方法，其特征在于，所述的将PI控制模块（7）输出的转矩给定值

与磁链转矩和定子磁链角计算模块（6）输出的电磁转矩T_e相减，得到转矩误差ε_T，将转矩误差ε_T输入至转矩滞环控制模块（8），经过转矩滞环控制后，得到转矩误差信号C_T，具体按照以下步骤实施：

${\mathrm{\&epsiv;}}_T=T_e^{*}-T_e,$

式中，ΔT_e是设定的转矩滞环控制模块（8）的滞环宽度，ΔT_e>0。

5.根据权利要求1所述的采用永磁同步电机的直接转矩控制装置进行控制的方法，其特征在于，所述的将设定的永磁同步电机磁链给定值

与磁链转矩和定子磁链角计算模块（6）输出的定子磁链幅值|ψ_s|相减，得到磁链误差ε_ψ，将转矩误差ε_ψ输入至磁链滞环控制模块（9），经过磁链滞环控制后，得到磁链误差信号C_ψ，具体按照以下步骤实施：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{\&psi;}}=\left|{\mathrm{\&psi;}}_s^{*}\right|-\left|{\mathrm{\&psi;}}_s\right|,$

式中，Δψ_s是设定的转矩滞环控制模块（8）的滞环宽度，Δψ_s>0。

6.根据权利要求1所述的采用永磁同步电机的直接转矩控制装置进行控制的方法，其特征在于，所述的将开关电压矢量表模块（10）输出的电压矢量u_k输入至占空比计算模块（11）中，同时也将当前时刻转矩误差ε_T输入至占空比计算模块（11）中，经过占空比计算后，确定出作用电压矢量的占空比γ，进而得到逆变器所需要的三相开关控制信号S_a、S_b、S_c，具体按照以下步骤实施：

首先按照下式确定转子磁链之间的夹角δ：

$T_e=\frac{{3n}_p\left|{\mathrm{\&psi;}}_s\right|}{{4L}_d{L}_q}[{2\mathrm{\&psi;}}_f{L}_q\sin \mathrm{\&delta;}-|{\mathrm{\&psi;}}_s\left|(L_q-L_d)\sin 2\mathrm{\&delta;}\right],$

式中，ψ_f为永磁同步电机（3）的转子永磁体磁链；L_d、L_q为电感的d、q轴分量，再依据如下公式，确定出作用电压矢量的占空比γ，

$\mathrm{\&gamma;}=\frac{{2\mathrm{\&epsiv;}}_T{L}_d{L}_q}{{3n}_p\left|u_k\right|T_s[{\mathrm{\&psi;}}_f{L}_q\cos \mathrm{\&delta;}-|{\mathrm{\&psi;}}_s\left|(L_q-L_d)\cos 2\mathrm{\&delta;}\right]},$

式中，T_s为控制系统采样周期，保证0≤γ≤1，做如下处理：

最终作用的电压矢量u_s为：

u_s＝γu_k，

用开关状态表示的逆变器输出空间电压矢量为u_i(S_a S_b S_c)，包括u₁(100)、u₂(110)、u₃(010)、u₄(011)、u₅(001)、u₆(101)和2个零矢量u₀(000)，u₇(111)，合成矢量u₁₂表示为电压矢量u₁和u₂各作用一半的时间，即合成矢量u₁₂，其余合成矢量依此类推，从而确定出逆变器所需的三相开关控制信号S_a、S_b和S_c。

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