CN102223139A - 单电流传感器实现直接转矩控制方法 - Google Patents

单电流传感器实现直接转矩控制方法 Download PDF

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CN102223139A CN 201110161816 CN201110161816A CN102223139A CN 102223139 A CN102223139 A CN 102223139A CN 201110161816 CN201110161816 CN 201110161816 CN 201110161816 A CN201110161816 A CN 201110161816A CN 102223139 A CN102223139 A CN 102223139A
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Abstract

本发明公开了一种单电流传感器实现直接转矩控制方法，其特征在于：该方法依次包括如下步骤：1）通过采样电路测得外部直流母线电压、外部直流母线电流；2）得到定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量：，其中，、分别代表定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，、、分别代表绝缘栅双极晶体管三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，代表外部直流母线电压；3）得到定子任一相电流。本发明涉及的系统和方法具有成本低、可靠性高、简单易行等优点。

Description

单电流传感器实现直接转矩控制方法
技术领域
本发明是一种单电流传感器实现直接转矩控制的技术，属于电机驱动与控制技术领域。
背景技术
20世纪80年代，日本和德国学者分别提出了直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）理论。从本质上讲，DTC是一种“bang-bang”控制，具有鲁棒性强、响应速度快和结构简单等优势，因而其获得了广泛关注和应用。
一般来讲，DTC的实现需要用到三个电流传感器。其中，一个电流传感器置于外部直流母线侧，用于过流保护；另外两个电流传感器置于电机输入端，用于测量相电流。为了降低系统成本和提高系统可靠性，许多学者提出了用较少甚至不用电流传感器实现DTC的方法。目前，减少电流传感器实现DTC的方法大致可以分为以下三大类：
1. 查表型单电流传感器实现DTC的方法
这一类方法是通过采样外部直流母线电流，再根据外部直流母线电流与相电流的对应关系来估算相电流。这类方法具有结构简单，对硬件要求低等优点。但是，由于这类方法在一个采样周期内只能估算一相电流值且无法从理论上确保三相电流值在较短时间内获得均等的估算机会，这也就意味着一旦出现某一相电流估计值长期得不到更新的情况，那么电流估计值的精度将无法得到保证，最终降低了DTC的控制性能。
2. 电压空间矢量型单电流传感器实现DTC的方法
这一类方法同样是通过采样外部直流母线电流，再根据外部直流母线电流与相电流的对应关系来估算相电流。与前一类方法不同的是，由于等效的电压矢量是通过两个不同的固有有效电压矢量合成得到的，这类方法在理论上可以确保三相电流值在一个采样周期内得到更新。但是，现有硬件系统有限的采样速度和变化不定的占空比使得很难在一个开关周期内采得两相电流。如果一味的选择性能更为优越的硬件系统，将会大大增加实际控制系统的硬件成本。
3. 无电流传感器实现DTC的方法
这一类方法是根据外部直流母线电压和电机模型来估计相电流。这类方法完全取消了电流传感器的使用。但是，这类方法需要精确的电机模型来保证相电流的估计精度，而对电机模型的苛刻要求又降低了DTC的鲁棒性。鲁棒性的下降使得控制系统的可靠性降低。
发明内容
技术问题：本发明的目的就是提出一种单电流传感器实现直接转矩控制系统和方法。该系统和方法能够减少电流传感器的使用数量，从而降低电机驱动控制成本，减小控制系统体积，提高控制系统的可靠性。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种单电流传感器实现直接转矩控制方法，该方法依次包括如下步骤：
（1）通过采样电路测得外部直流母线电压                                                、外部直流母线电流
Figure 45218DEST_PATH_IMAGE002
；
（2）得到定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量：
Figure 158668DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 83899DEST_PATH_IMAGE004
、分别代表定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 697600DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 44267DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 191215DEST_PATH_IMAGE008
分别代表绝缘栅双极晶体管三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，
Figure 281531DEST_PATH_IMAGE001
代表外部直流母线电压；
（3）得到定子任一相电流：
Figure 463113DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 918365DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 880505DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 446616DEST_PATH_IMAGE012
分别代表三相交流电机A、B、C相电流，
Figure 545022DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 171175DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 292715DEST_PATH_IMAGE008
分别代表绝缘栅双极晶体管三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，
Figure 727763DEST_PATH_IMAGE002
代表外部直流母线电流；
（4）根据当前和上一计算周期通过步骤（3）得到的两相电流由下式得到定子第三相电流：
Figure 883938DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，
Figure 743309DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 352145DEST_PATH_IMAGE011
、分别代表三相交流电机A、B、C相电流；
（5）得到定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量：
Figure 333057DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 301013DEST_PATH_IMAGE010
、、
Figure 171066DEST_PATH_IMAGE012
分别代表三相交流电机A、B、C相电流，
Figure 364150DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 503007DEST_PATH_IMAGE016
分别代表定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量；
（6）得到定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量：
Figure 820856DEST_PATH_IMAGE017
其中， 
Figure 398468DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 383741DEST_PATH_IMAGE016
分别代表定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量, 
Figure 755817DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 560962DEST_PATH_IMAGE005
分别代表定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量, 
Figure 614368DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 516465DEST_PATH_IMAGE019
分别代表定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 997125DEST_PATH_IMAGE020
代表定子电阻；
（7）得到定子磁链幅值和相角：
Figure 608673DEST_PATH_IMAGE021
Figure 200191DEST_PATH_IMAGE022
其中， 
Figure 160057DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 873935DEST_PATH_IMAGE019
分别代表定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 653673DEST_PATH_IMAGE023
代表定子磁链幅值，θ代表定子磁链相角；
（8）得到电磁转矩：
Figure 111199DEST_PATH_IMAGE024
其中， 
Figure 925571DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 810350DEST_PATH_IMAGE019
分别代表定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，、
Figure 276284DEST_PATH_IMAGE016
分别代表定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 7479DEST_PATH_IMAGE025
代表电机极对数，
Figure 843DEST_PATH_IMAGE026
代表电磁转矩；
（9）确定定子磁链扇区编号N：
Figure 817489DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 820081DEST_PATH_IMAGE028
代表定子磁链相角，N代表定子磁链扇区编号；
（10）得到电磁转矩的参考值
Figure 343466DEST_PATH_IMAGE029
：
Figure 570048DEST_PATH_IMAGE030
，（=-
Figure 792585DEST_PATH_IMAGE033
）
其中，
Figure 458577DEST_PATH_IMAGE032
代表设定的速度参考值，
Figure 921919DEST_PATH_IMAGE033
代表实际速度反馈值，
Figure 266313DEST_PATH_IMAGE031
代表速度的偏差量，
Figure 561028DEST_PATH_IMAGE029
代表电磁转矩的参考值，
Figure 332675DEST_PATH_IMAGE034
代表积分系数，
Figure 345630DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 228136DEST_PATH_IMAGE036
代表比例系数，
Figure 580620DEST_PATH_IMAGE037
；
（11）得到转矩控制指令：
Figure 585485DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 23419DEST_PATH_IMAGE029
代表电磁转矩的参考值，
Figure 771932DEST_PATH_IMAGE039
代表电磁转矩，
Figure 41240DEST_PATH_IMAGE040
代表转矩控制器环宽，
Figure 154689DEST_PATH_IMAGE041
代表转矩控制指令；
（12）得到磁链控制指令：
Figure 142237DEST_PATH_IMAGE042
其中，
Figure 428862DEST_PATH_IMAGE043
代表定子磁链幅值参考值，代表定子磁链幅值，代表磁链控制器环宽，
Figure 314800DEST_PATH_IMAGE046
代表磁链控制指令；
（13）根据转矩控制指令
Figure 405115DEST_PATH_IMAGE047
、磁链控制指令
Figure 649015DEST_PATH_IMAGE046
、定子磁链扇区编号N和复合电压矢量选择表来选择复合电压矢量（
Figure 104267DEST_PATH_IMAGE048
~
Figure 800828DEST_PATH_IMAGE049
）；
（14）根据“不同相”原则对步骤（13）中选择的复合电压矢量包含的两个固有电压矢量的输出顺序进行优化，使得任意相邻采样周期对应的相电流均不相同；
（15）根据步骤（14）输出的固有电压矢量编号，输出相应的开关信号去驱动绝缘栅双极晶体管三相桥模块。
优选的，步骤（9）所述的扇区划分是对传统扇区分布逆时针旋转30°得到的。
优选的，步骤（13）和步骤（14）所指复合电压矢量（
Figure 429255DEST_PATH_IMAGE048
~
Figure 793240DEST_PATH_IMAGE049
）是由固有电压矢量（
Figure 481711DEST_PATH_IMAGE050
~
Figure 668497DEST_PATH_IMAGE051
）根据相邻原则两两合成得到：
1） 固有电压矢量（
Figure 38298DEST_PATH_IMAGE050
~
Figure 256790DEST_PATH_IMAGE051
）得到的方法为：
Figure 53845DEST_PATH_IMAGE052
其中，
Figure 724998DEST_PATH_IMAGE006
、、
Figure 705909DEST_PATH_IMAGE008
分别代表绝缘栅双极晶体管三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，u dc 代表外部直流母线电压，
Figure 673865DEST_PATH_IMAGE053
，i为1~6中的任一自然数，固有电压矢量
Figure 769997DEST_PATH_IMAGE054
与
Figure 543918DEST_PATH_IMAGE006
Figure 409106DEST_PATH_IMAGE007
Figure 610280DEST_PATH_IMAGE008
的对应关系如下：
Figure 193708DEST_PATH_IMAGE055
2）固有电压矢量
Figure 771320DEST_PATH_IMAGE056
~是基于如下原则合成的复合电压矢量
Figure 800773DEST_PATH_IMAGE057
其中，
Figure 933814DEST_PATH_IMAGE050
~
Figure 987221DEST_PATH_IMAGE051
是固有电压矢量, 
Figure 903966DEST_PATH_IMAGE056
~
Figure 384626DEST_PATH_IMAGE049
是复合电压矢量。
优选的，步骤（13）、步骤（14）的计算周期T c 是绝缘栅双极晶体管三相桥模块开关周期T s 的两倍，其余步骤的计算周期均为T s 。
优选的，步骤（14）的每个复合电压矢量所包含的两个固有有效电压矢量对应不同的相电流，这样就可以根据“不同相”原则确定固有有效电压矢量的输出序列。
优选的，只采用一个电流传感器。
有益效果：该DTC实现方法通过修改控制软件减少了电流传感器的使用数量，简单易行。具体到本发明的技术方案，具有如下优点：
1. 跟传统DTC实现方法相比，本方法减少了两个电流传感器的使用，使得控制系统的硬件成本得以相应降低，控制系统体积减小，控制系统的可靠性增强，测试和校正电流传感器的工作量减少；
2. 与现有的查表型单电流传感器实现DTC方法相比，本方法可以从理论上保证三相电流估计值的精度；
3. 与现有的电压空间矢量型单电流传感器实现DTC方法相比，本方法对硬件系统要求低，易于实现，不需要增加高性能硬件系统；
4. 与无电流传感器实现DTC方法相比，本方法唯一需要电机定子电阻这一参数，对电机模型的要求较低，因而鲁棒性更强，可靠性更高。
附图说明
图1是本发明所提方法框图（虚线包含区域计算周期为绝缘栅双极晶体管三相桥模块开关周期的两倍，其余部分计算周期与绝缘栅双极晶体管三相桥模块开关周期相同）；
图2是单电流传感器实现直接转矩控制的示意框图（其中，1-外部直流母线）；
图3是新扇区示意图；
图4是新电压矢量合成示意图（以固有电压矢量
Figure 942646DEST_PATH_IMAGE050
和固有电压矢量
Figure 596481DEST_PATH_IMAGE058
合成得到复合电压矢量
Figure 290768DEST_PATH_IMAGE056
为例）；
图5是转速响应曲线（375转/分/格）；
图6是A相电流实测曲线（6安培/格）；
图7是A相电流实测值和估计值效果对比图（6安培/格，2-A相电流实测值，3-A相电流估计值）；
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行说明。
本发明提供的单电流传感器实现直接转矩控制系统包括绝缘栅双极晶体管三相桥模块、驱动电路、采样电路、处理器；其中：驱动电路与绝缘栅双极晶体管三相桥模块相连，处理器与驱动电路相连，采样电路分别与外部直流母线和处理器模块相连。
所述采样电路包括且仅包括一个电压传感器和一个电流传感器，且电压传感器和电流传感器分别与外部直流母线相连。
本发明提供的单电流传感器实现直接转矩控制的方法，引进复合电压矢量，通过对传统DTC所使用的固有电压矢量输出序列进行“不同相”优化，从理论上确保每个固有电压矢量持续单个开关周期，且相邻开关周期的固有电压矢量对应两相电流；只使用一个电流传感器来获取电流，利用外部直流母线电流与相电流的对应关系来计算相电流，由于前述的“不同相”原则，能保证每两个开关周期就对三相电流的估计值高精度地更新一次；通过对传统DTC的扇区逆时针旋转30°，使得本发明所提出的算法与传统DTC在绝大多数执行环节一致。具体来讲，该方法依次包括如下具体步骤（如图1所示）：
（1）通过采样电路测得外部直流母线电压
Figure 270225DEST_PATH_IMAGE001
、外部直流母线电流
Figure 49962DEST_PATH_IMAGE002
；
（2）得到定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量：
Figure 445172DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 321861DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 144323DEST_PATH_IMAGE005
分别代表定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 473673DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 672574DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 341452DEST_PATH_IMAGE008
分别代表绝缘栅双极晶体管三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，
Figure 397133DEST_PATH_IMAGE001
代表外部直流母线电压；
（3）得到定子任一相电流：
Figure 151462DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 950791DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 474176DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 966338DEST_PATH_IMAGE012
分别代表三相交流电机A、B、C相电流，
Figure 207963DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 483087DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 191804DEST_PATH_IMAGE008
分别代表绝缘栅双极晶体管三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，
Figure 526971DEST_PATH_IMAGE002
代表外部直流母线电流；
（4）根据当前和上一计算周期通过步骤（3）得到的两相电流由下式得到定子第三相电流：
；
其中，
Figure 397023DEST_PATH_IMAGE010
、、
Figure 728965DEST_PATH_IMAGE012
分别代表三相交流电机A、B、C相电流；
（5）得到定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量：
其中，、
Figure 976909DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 981774DEST_PATH_IMAGE012
分别代表三相交流电机A、B、C相电流，
Figure 419709DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 840326DEST_PATH_IMAGE016
分别代表定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量；
（6）得到定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量：
其中，
Figure 488662DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 476210DEST_PATH_IMAGE016
分别代表定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量, 
Figure 700518DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 762015DEST_PATH_IMAGE005
分别代表定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量, 
Figure 108682DEST_PATH_IMAGE018
、分别代表定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 614455DEST_PATH_IMAGE020
代表定子电阻；
（7）得到定子磁链幅值和相角：
Figure 796037DEST_PATH_IMAGE021
Figure 48027DEST_PATH_IMAGE022
其中， 
Figure 947850DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 513960DEST_PATH_IMAGE019
分别代表定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 877946DEST_PATH_IMAGE023
代表定子磁链幅值，θ代表定子磁链相角；
（8）得到电磁转矩：
Figure 238520DEST_PATH_IMAGE024
其中， 
Figure 687956DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 57757DEST_PATH_IMAGE019
分别代表定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 948353DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 807724DEST_PATH_IMAGE016
分别代表定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 416560DEST_PATH_IMAGE025
代表电机极对数，代表电磁转矩；
（9）确定定子磁链扇区编号N：
Figure 663051DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 631007DEST_PATH_IMAGE028
代表定子磁链相角，N代表定子磁链扇区编号；
（10）得到电磁转矩的参考值
Figure 789456DEST_PATH_IMAGE029
：
Figure 501060DEST_PATH_IMAGE030
，（
Figure 428564DEST_PATH_IMAGE031
=
Figure 567422DEST_PATH_IMAGE032
-
Figure 216096DEST_PATH_IMAGE033
）
其中，代表设定的速度参考值，
Figure 451086DEST_PATH_IMAGE033
代表实际速度反馈值，代表速度的偏差量，
Figure 956202DEST_PATH_IMAGE029
代表电磁转矩的参考值，
Figure 71926DEST_PATH_IMAGE034
代表积分系数，
Figure 911706DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 454683DEST_PATH_IMAGE036
代表比例系数，
Figure 809441DEST_PATH_IMAGE037
；
（11）得到转矩控制指令：
Figure 728855DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 423142DEST_PATH_IMAGE029
代表电磁转矩的参考值，
Figure 137020DEST_PATH_IMAGE039
代表电磁转矩，
Figure 235864DEST_PATH_IMAGE040
代表转矩控制器环宽，代表转矩控制指令；
（12）得到磁链控制指令：
Figure 242183DEST_PATH_IMAGE042
其中，
Figure 330225DEST_PATH_IMAGE043
代表定子磁链幅值参考值，
Figure 659575DEST_PATH_IMAGE044
代表定子磁链幅值，
Figure 858475DEST_PATH_IMAGE045
代表磁链控制器环宽，
Figure 261775DEST_PATH_IMAGE046
代表磁链控制指令；
（13）根据转矩控制指令
Figure 583035DEST_PATH_IMAGE047
、磁链控制指令、定子磁链扇区编号N和复合电压矢量选择表（如表1所示）来选择复合电压矢量（
Figure 136693DEST_PATH_IMAGE048
~
Figure 660078DEST_PATH_IMAGE049
）；
表1  复合电压矢量选择表
（14）根据“不同相”原则对步骤（13）中选择的复合电压矢量包含的两个固有电压矢量的输出顺序进行优化，使得任意相邻采样周期对应的相电流均不相同；
（15）根据步骤（14）输出的固有电压矢量编号，输出相应的开关信号去驱动绝缘栅双极晶体管三相桥模块。
步骤（1）~（15）的成功实施由以下几点保证：
（1） 步骤（9）所阐述的扇区划分与传统DTC的扇区划分有所不同，主要表现为本发明所使用的扇区分布是对传统扇区分布逆时针旋转30°得到的，如图3所示。
（2） 步骤（13）和步骤（14）所指复合电压矢量（
Figure 152239DEST_PATH_IMAGE048
~
Figure 128285DEST_PATH_IMAGE049
）是由固有电压矢量（~
Figure 374776DEST_PATH_IMAGE051
）按照如图4所示的相邻原则两两合成得到。
1） 固有电压矢量（
Figure 772259DEST_PATH_IMAGE050
~
Figure 501181DEST_PATH_IMAGE051
）由下式得到
Figure 645242DEST_PATH_IMAGE052
其中，
Figure 143219DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 649287DEST_PATH_IMAGE007
、分别代表绝缘栅双极晶体管三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，u dc 代表外部直流母线电压，
Figure 872644DEST_PATH_IMAGE060
，i为1~6之间任一自然数，
Figure 287445DEST_PATH_IMAGE054
与
Figure 229993DEST_PATH_IMAGE006
Figure 150862DEST_PATH_IMAGE008
的对应关系如下：
Figure 623431DEST_PATH_IMAGE061
2） 
Figure 533618DEST_PATH_IMAGE056
~
Figure 458849DEST_PATH_IMAGE049
是基于如下原则合成的复合电压矢量
Figure 683157DEST_PATH_IMAGE057
其中，
Figure 72550DEST_PATH_IMAGE050
~
Figure 356901DEST_PATH_IMAGE051
是固有电压矢量, ~
Figure 594164DEST_PATH_IMAGE049
是复合电压矢量。
（3） 步骤（13）、步骤（14）的计算周期T c 是绝缘栅双极晶体管三相桥模块开关周期T s 的两倍，以保证每个复合电压矢量能够作用两个T s ，即每个固有电压矢量可以作用一个T s 。
（4） 除了步骤（13）、步骤（14），其余步骤的计算周期均为T s 。
（5） 步骤（14）之所以能实施，是因为每个复合电压矢量所包含的两个固有有效电压矢量对应不同的相电流，这样就可以根据“不同相”原则确定固有有效电压矢量的输出序列。
本发明的实施例的系统硬件结构如图2所示，包括：整流电路、滤波电路、单电流传感器实现直接转矩控制控制系统、永磁同步电机、编码器。其中，永磁同步电机的参数为：额定相电压
Figure 775747DEST_PATH_IMAGE062
=220V，=2，
Figure 196068DEST_PATH_IMAGE063
=0.665Ω，直轴电感
Figure 824496DEST_PATH_IMAGE064
=7.623mH，交轴电感
Figure 860585DEST_PATH_IMAGE065
=7.623mH，永磁磁链
Figure 549055DEST_PATH_IMAGE066
=0.783Wb，
Figure 936174DEST_PATH_IMAGE067
=1500r/min。具体实验条件为：带载（负载为5Nm）启动至额定转速1500r/min。
实施例包含的具体步骤如下：
1. 设定比例系数
Figure 40396DEST_PATH_IMAGE036
=0.1，积分系数
Figure 258888DEST_PATH_IMAGE034
=0.5，设定的速度参考值
Figure 55943DEST_PATH_IMAGE068
=1500r/min，转矩控制器环宽
Figure 727096DEST_PATH_IMAGE040
=0，磁链控制器环宽
Figure 900588DEST_PATH_IMAGE045
=0；
2. 设定子磁链幅值参考值
Figure 911269DEST_PATH_IMAGE043
=0.783Wb，等于永磁磁链幅值；
3. 通过采样电路测得外部直流母线电压
Figure 941542DEST_PATH_IMAGE001
、外部直流母线电流
Figure 99991DEST_PATH_IMAGE002
；
4. 由下式计算定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量：
Figure 546016DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 676783DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 877957DEST_PATH_IMAGE005
分别代表定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 461385DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 776348DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 761621DEST_PATH_IMAGE008
分别代表绝缘栅双极晶体管三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，
Figure 71380DEST_PATH_IMAGE001
代表外部直流母线电压。
5. 由下式计算定子任一相电流：
Figure 204421DEST_PATH_IMAGE009
其中，、、
Figure 640584DEST_PATH_IMAGE012
分别代表三相交流电机A、B、C相电流，
Figure 995342DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 852440DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 546726DEST_PATH_IMAGE008
分别代表绝缘栅双极晶体管三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，
Figure 260605DEST_PATH_IMAGE002
代表外部直流母线电流。
6. 根据当前和上一计算周期通过步骤5计算得到的两相电流由下式计算定子第三相电流：
Figure 305921DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，、、
Figure 462599DEST_PATH_IMAGE012
分别代表三相交流电机A、B、C相电流。
7. 由下式计算定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量：
Figure 791949DEST_PATH_IMAGE014
其中，、、
Figure 730057DEST_PATH_IMAGE012
分别代表三相交流电机A、B、C相电流，
Figure 218807DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 283715DEST_PATH_IMAGE016
分别代表定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量。
8. 由下式计算定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量：
Figure 807100DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 33682DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 275308DEST_PATH_IMAGE016
分别代表定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量, 
Figure 878327DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 256219DEST_PATH_IMAGE005
分别代表定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量, 
Figure 856965DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 382624DEST_PATH_IMAGE019
分别代表定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 727018DEST_PATH_IMAGE020
代表定子电阻（本实施例中
Figure 287312DEST_PATH_IMAGE063
=0.665Ω）。
9. 由下式定子磁链幅值和相角：
Figure 793380DEST_PATH_IMAGE021
其中， 
Figure 954420DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 369220DEST_PATH_IMAGE019
分别代表定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 46189DEST_PATH_IMAGE023
代表定子磁链幅值，θ代表定子磁链相角。
10. 由下式计算电磁转矩：
Figure 549371DEST_PATH_IMAGE024
其中， 
Figure 235567DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 504874DEST_PATH_IMAGE019
分别代表定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 618324DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 543554DEST_PATH_IMAGE016
分别代表定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 830179DEST_PATH_IMAGE025
代表电机极对数（本实施例中
Figure 157255DEST_PATH_IMAGE069
=2），
Figure 503923DEST_PATH_IMAGE026
代表电磁转矩。
11. 由下式确定定子磁链扇区编号N：
其中，
Figure 678869DEST_PATH_IMAGE028
代表定子磁链相角，N代表定子磁链扇区编号。
12. 由下式计算得到电磁转矩的参考值
Figure 922769DEST_PATH_IMAGE029
：
Figure 378021DEST_PATH_IMAGE030
，（
Figure 340161DEST_PATH_IMAGE031
=
Figure 906271DEST_PATH_IMAGE032
-
Figure 4677DEST_PATH_IMAGE033
）
其中，
Figure 630831DEST_PATH_IMAGE032
代表设定的速度参考值，
Figure 814688DEST_PATH_IMAGE033
代表实际速度反馈值，
Figure 184489DEST_PATH_IMAGE031
代表速度的偏差量，
Figure 405910DEST_PATH_IMAGE029
代表电磁转矩的参考值，代表积分系数（本实施例中
Figure 874118DEST_PATH_IMAGE070
），
Figure 782031DEST_PATH_IMAGE036
代表比例系数（本实施例中）。
13. 由下式计算得到转矩控制指令：
Figure 822985DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 919117DEST_PATH_IMAGE029
代表电磁转矩的参考值，
Figure 693038DEST_PATH_IMAGE039
代表电磁转矩，
Figure 823805DEST_PATH_IMAGE040
代表转矩控制器环宽（本实施例中
Figure 24979DEST_PATH_IMAGE072
），
Figure 342828DEST_PATH_IMAGE041
代表转矩控制指令。
14. 由下式计算得到磁链控制指令：
Figure 858123DEST_PATH_IMAGE042
其中，代表定子磁链幅值参考值（本实施例中
Figure 215472DEST_PATH_IMAGE043
=0.783Wb），
Figure 82934DEST_PATH_IMAGE044
代表定子磁链幅值，代表磁链控制器环宽（本实施例中
Figure 38438DEST_PATH_IMAGE073
），代表磁链控制指令。
15. 根据转矩控制指令、磁链控制指令
Figure 733883DEST_PATH_IMAGE046
、定子磁链扇区编号N和复合电压矢量选择表（如表1所示）来选择复合电压矢量。
16. 根据“不同相”原则对步骤15中选择的复合电压矢量包含的两个固有电压矢量的输出顺序进行优化，使得任意相邻采样周期对应的相电流均不相同；
17. 根据步骤16输出的固有电压矢量编号，输出相应的开关信号去驱动绝缘栅双极晶体管三相桥模块。
步骤1~17的成功实施由以下几点保证：
（1） 步骤15和步骤16所指复合电压矢量（
Figure 693749DEST_PATH_IMAGE048
~
Figure 407627DEST_PATH_IMAGE049
）是由固有电压矢量（
Figure 187364DEST_PATH_IMAGE050
~
Figure 582573DEST_PATH_IMAGE051
）按照如图3所示的相邻原则两两合成得到。
1） 固有电压矢量（
Figure 459262DEST_PATH_IMAGE050
~）由下式得到
Figure 611075DEST_PATH_IMAGE052
其中，
Figure 809975DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 541171DEST_PATH_IMAGE007
、分别代表绝缘栅双极晶体管三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，u dc 代表外部直流母线电压，
Figure 413498DEST_PATH_IMAGE060
，i为1~6之间任一自然数，
Figure 478406DEST_PATH_IMAGE054
与
Figure 1791DEST_PATH_IMAGE006
Figure 166056DEST_PATH_IMAGE007
Figure 461209DEST_PATH_IMAGE008
的对应关系如下：
Figure 1912DEST_PATH_IMAGE061
2） 
Figure 442121DEST_PATH_IMAGE056
~是基于如下原则合成的复合电压矢量
Figure 568526DEST_PATH_IMAGE057
其中，
Figure 912919DEST_PATH_IMAGE050
~
Figure 207634DEST_PATH_IMAGE051
是固有电压矢量, 
Figure 979281DEST_PATH_IMAGE056
~
Figure 992237DEST_PATH_IMAGE049
是复合电压矢量。
（2） 步骤15和步骤16的计算周期T c 是绝缘栅双极晶体管三相桥模块开关周期T s 的两倍，以保证每个复合电压矢量能够作用两个T s ，即每个固有电压矢量可以作用一个T s 。
（3） 除了步骤15和步骤16，其余步骤的计算周期均为T s 。
图5是转速响应曲线，图6是通过电流钳测得的A相实际电流曲线，图7是A相实测和估计电流曲线的对比图。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1. 一种单电流传感器实现直接转矩控制方法，其特征在于：该方法依次包括如下步骤：
1）通过采样电路测得外部直流母线电压                                               
Figure 808902DEST_PATH_IMAGE002
、外部直流母线电流
Figure 699497DEST_PATH_IMAGE004
；
2）得到定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量：
Figure 496552DEST_PATH_IMAGE006
其中，、分别代表定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 414195DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 382151DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 478283DEST_PATH_IMAGE016
分别代表绝缘栅双极晶体管三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，
Figure 243415DEST_PATH_IMAGE002
代表外部直流母线电压；
3）得到定子任一相电流：
Figure 108603DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 309777DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 893205DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 142921DEST_PATH_IMAGE024
分别代表三相交流电机A、B、C相电流，
Figure 190511DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 500270DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 570994DEST_PATH_IMAGE016
分别代表绝缘栅双极晶体管三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，代表外部直流母线电流；
4）根据当前和上一计算周期通过步骤3）得到的两相电流由下式得到定子第三相电流：
Figure 526498DEST_PATH_IMAGE026
；
其中，、
Figure 361916DEST_PATH_IMAGE022
、分别代表三相交流电机A、B、C相电流；
5）得到定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量：
Figure 975617DEST_PATH_IMAGE028
其中，、
Figure 672494DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 130020DEST_PATH_IMAGE024
分别代表三相交流电机A、B、C相电流，
Figure 678813DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 829172DEST_PATH_IMAGE032
分别代表定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量；
6）得到定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量：
Figure 96205DEST_PATH_IMAGE034
其中，
Figure 295105DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 763652DEST_PATH_IMAGE032
分别代表定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 22595DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 839241DEST_PATH_IMAGE010
分别代表定子电压在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，、
Figure 99638DEST_PATH_IMAGE038
分别代表定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 591799DEST_PATH_IMAGE040
代表定子电阻；
7）得到定子磁链幅值和相角：
Figure 170865DEST_PATH_IMAGE044
其中，
Figure 814336DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 149502DEST_PATH_IMAGE038
分别代表定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 940741DEST_PATH_IMAGE046
代表定子磁链幅值，θ代表定子磁链相角；
8）得到电磁转矩：
Figure 19555DEST_PATH_IMAGE048
其中， 
Figure 517533DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 85917DEST_PATH_IMAGE038
分别代表定子磁链在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，、分别代表定子电流在两相静止坐标系αβ下的α、β轴分量，
Figure 599441DEST_PATH_IMAGE050
代表电机极对数，
Figure 541989DEST_PATH_IMAGE052
代表电磁转矩；
9）确定定子磁链扇区编号N：
Figure 42241DEST_PATH_IMAGE054
其中，
Figure 462858DEST_PATH_IMAGE056
代表定子磁链相角，N代表定子磁链扇区编号；
10）得到电磁转矩的参考值
Figure 674DEST_PATH_IMAGE058
：
Figure 848544DEST_PATH_IMAGE060
，（
Figure 773775DEST_PATH_IMAGE062
=
Figure 60400DEST_PATH_IMAGE064
-
Figure 387476DEST_PATH_IMAGE066
）
其中，
Figure 671827DEST_PATH_IMAGE064
代表设定的速度参考值，
Figure 146671DEST_PATH_IMAGE066
代表实际速度反馈值，代表速度的偏差量，
Figure 152990DEST_PATH_IMAGE058
代表电磁转矩的参考值，
Figure 608242DEST_PATH_IMAGE068
代表积分系数，
Figure 508065DEST_PATH_IMAGE070
，
Figure 136492DEST_PATH_IMAGE072
代表比例系数，
Figure 172581DEST_PATH_IMAGE074
；
11）得到转矩控制指令：
Figure 798735DEST_PATH_IMAGE076
其中，代表电磁转矩的参考值，
Figure 352393DEST_PATH_IMAGE078
代表电磁转矩，
Figure 570885DEST_PATH_IMAGE080
代表转矩控制器环宽，
Figure 367939DEST_PATH_IMAGE082
代表转矩控制指令；
12）得到磁链控制指令：
Figure 976775DEST_PATH_IMAGE084
其中，
Figure 212584DEST_PATH_IMAGE086
代表定子磁链幅值参考值，
Figure 223266DEST_PATH_IMAGE088
代表定子磁链幅值，
Figure 191222DEST_PATH_IMAGE090
代表磁链控制器环宽，代表磁链控制指令；
13）根据转矩控制指令
Figure 798625DEST_PATH_IMAGE094
、磁链控制指令、定子磁链扇区编号N和复合电压矢量选择表来选择复合电压矢量（
Figure 130566DEST_PATH_IMAGE096
~
Figure 713995DEST_PATH_IMAGE098
）；
14）根据“不同相”原则对步骤13）中选择的复合电压矢量包含的两个固有电压矢量的输出顺序进行优化，使得任意相邻采样周期对应的相电流均不相同；
15）根据步骤14）输出的固有电压矢量编号，输出相应的开关信号去驱动绝缘栅双极晶体管三相桥模块。
2. 根据权利要求1所述的单电流传感器实现直接转矩控制方法，其特征在于：步骤9）所述的扇区划分是对传统扇区分布逆时针旋转30°得到的。
3.根据权利要求1所述的单电流传感器实现直接转矩控制方法，其特征在于： 步骤13）和步骤14）所指复合电压矢量（
Figure 26027DEST_PATH_IMAGE096
~
Figure 11301DEST_PATH_IMAGE098
）是由固有电压矢量（
Figure 321059DEST_PATH_IMAGE100
~
Figure 454100DEST_PATH_IMAGE102
）根据相邻原则两两合成得到：
1） 固有电压矢量（
Figure 507507DEST_PATH_IMAGE100
~
Figure 409604DEST_PATH_IMAGE102
）得到的方法为：
Figure 890264DEST_PATH_IMAGE104
其中，
Figure 182705DEST_PATH_IMAGE012
、、
Figure 796406DEST_PATH_IMAGE016
分别代表绝缘栅双极晶体管三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，u dc 代表外部直流母线电压，
Figure 447967DEST_PATH_IMAGE106
，i为1~6中的任一自然数，固有电压矢量
Figure 555600DEST_PATH_IMAGE108
与
Figure 950810DEST_PATH_IMAGE012
Figure 561920DEST_PATH_IMAGE014
Figure 39427DEST_PATH_IMAGE016
的对应关系如下：
2）固有电压矢量~
Figure 970977DEST_PATH_IMAGE098
是基于如下原则合成的复合电压矢量
Figure 229920DEST_PATH_IMAGE114
其中，
Figure 718670DEST_PATH_IMAGE100
~
Figure 783578DEST_PATH_IMAGE102
是固有电压矢量, 
Figure 306963DEST_PATH_IMAGE112
~
Figure 533545DEST_PATH_IMAGE098
是复合电压矢量。
4. 根据权利要求1所述的单电流传感器实现直接转矩控制方法，其特征在于：步骤13）、步骤14）的计算周期T c 是绝缘栅双极晶体管三相桥模块开关周期T s 的两倍，其余步骤的计算周期均为T s 。
5.根据权利要求1所述的单电流传感器实现直接转矩控制方法，其特征在于： 步骤14）的每个复合电压矢量所包含的两个固有有效电压矢量对应不同的相电流，根据“不同相”原则确定固有有效电压矢量的输出序列。
6. 根据权利要求1所述的单电流传感器实现直接转矩控制方法，其特征在于：电流传感器只采用一个。
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