CN102315816A - 一种任意层次实时扇区细分型的直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种任意层次实时扇区细分型的直接转矩控制方法，其包括以下步骤：S1:确定当前电机控制系统的扇区总数x，根据公式

确定扇区关系系数n；S2:根据扇区关系系数n、基本矢量总数m构建m层扇区总图；S3:判断当前电机磁链所在的位置，根据此位置锁定所述扇区总图中当前位置下可以使用的矢量；S4:检测电机的瞬时速度，用于合成控制矢量；S5:确定控制矢量所在的锁区位置，并以此构建电机控制系统的坐标轴；S6:根据所述电机的瞬时速度确定零矢量，并根据所述零矢量合成实时的矢量表；S7:从所述矢量表中选取合适的矢量值，用于电机的控制。该方法根据实时的情况合成最优的矢量，用于减小转矩脉动，使其达到较好的动静态特性。

Description

一种任意层次实时扇区细分型的直接转矩控制方法

技术领域

    本发明涉及扇区控制方法，尤其涉及一种综合了直接转矩控制方法的特点，实施生成任意层矢量表的扇区细分型控制方法。 

背景技术

直接转矩控制（DTC）技术是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的调速控制系统，它摈弃了矢量控制中的解耦思想，直接从定子磁链入手，使用受温度影响较小的定子电阻，计算出定子磁链和转矩，直接对它们进行控制。由于它利用转矩反馈系统直接控制电机的电磁转矩，因此而得名。 

离散化转矩方程式得到在 

时刻的转矩 

                                                   （1.1）

其中

                                                 （1.2）

                                （1.3）

其中

。

式1.1中第一项是

，由定转子阻抗而产生，其作用是减小电磁转矩幅值，该项的大小与外加电压和转子转速无关，只与上一时刻的转矩有关；第二项

代表了外加电压的作用，对于所给定的电压，其作用转矩的大小主要是受反相电动势

的影响(即受转子转速的影响)。 

由此可以看到出，其中

只与电机的定转子参数有关且必是减小转矩。

则表示当前的

状态取决于

与的值，即是说同一个空间电压矢量在不同的转速时对

状态的影响是不同的。 

目前，直接转矩控制方案一般有： 

①传统的直接转矩控制。2008年发表于《电机与控制学报》的“直接转矩控制系统中减小转矩脉动方案的比较”对异步电动机的直接转矩控制进行分析，建立矢量控制开关表，该控制策略响应快速，适用于对实时动态性要求较高的场合。但转矩存在不可抑制的脉动且脉动较大，尤其是在转速较低的时候转矩误差太大，不能达到控制的要求。

②细分扇区型直接转矩控制，亦称细化矢量型直接转矩控制。2004年发表于《测控技术》的“直接转矩矢量细分控制在永磁同步电机上的应用”提出细分扇区来抑制转矩脉动的方法，该方法得到比原有矢量多一倍的基本矢量。但增加基本矢量状态就意味着增加逆变电路的复杂性，基本矢量的数目越多，相应逆变桥的复杂性越高，这种方法虽然能抑制转矩的脉动，但是复杂的主电路增大了故障的可能性，同时也增加了成本。 

③离散型空间电压矢量的直接转矩控制。2007年发表于《电气传动》的“一种改善直接转矩控制低速性能的DSVM改进策略”采用离散型空间电压矢量结合直接转矩的方法（DSVM-DTC）按速度分层次细化矢量表，在不复杂主电路的前提下，用基本矢量合成新的矢量，以取得较好的控制效果。但是该类文献中都是将合成矢量数目定为3，没有进一步讨论合成矢量的规律。 

发明内容

本发明的目的是提出一种以离散型空间电压矢量结合直接转矩控制(DSVM-DTC)的方法为基础，按速度分层矢量表，选取m个基本矢量合成新的空间电压矢量的直接转矩控制方法。 

本发明的技术方案是：一种任意层次实时扇区细分型的直接转矩控制方法，其步骤包括： 

S1: 确定当前电机控制系统的扇区总数x，根据公式

确定扇区关系系数n；

S2: 根据扇区关系系数n、基本矢量总数m构建m层扇区总图；

S3: 判断当前电机磁链所在的位置，根据此位置锁定所述扇区总图中当前位置下可以使用的矢量；

S4: 检测电机的瞬时速度，根据所述电机的瞬时速度标识、转矩标识和磁链标识选择和所述扇区总图层数相同数目的基本矢量，用于合成控制矢量；

S5: 根据所述电机控制系统扇区的总数目和控制矢量的位置，确定控制矢量所在的锁区位置，并以此构建电机控制系统的坐标轴；

S6: 根据所述电机的瞬时速度确定零矢量，并根据所述零矢量合成实时的矢量表；

S7: 根据电机的瞬时速度标识、转矩标识和磁链标识的状态从所述矢量表中选取合适的矢量值，用于电机的控制。

进一步，所述步骤S2中的m为任意正整数。 

进一步，所述步骤S3中判断当前电机磁链所在的位置的步骤为，S31：实时计算得到当前电机系统定子磁链的a，b分量；S32：计算

；S33：判断Ψ_a，Ψ_b的正负，得到当前电机磁链所在的位置。 

进一步，所述步骤S4控制矢量的每层的矢量个数S_i=6×i，总的矢量数目

，其中i为层数，m为总的层数。 

本发明的有益效果为：该方法基于离散型空间电压矢量控制的基础，设计出任意层次变结构的矢量选择表，使用该方法在系统的最小处理周期下可以实时生成最佳矢量选择表，选取最优矢量实现对转矩的实时调整，该策略保存原有电机控制结构，减少转矩脉动，并做到了对整个直接转矩系统的综合，根据实时的情况合成最优的矢量，用于减小转矩脉动，使其达到较好的动静态特性。 

附图说明

图1 本发明的方法流程示意图； 

图2 计算当前电机控制系统扇区关系系数n的流程图；

图3 构建的m层扇区总图；

图4 计算当前磁链的位置的流程图；

图5 基本6扇区系统扇区S₁，和12扇区系统扇区S_1-、S₁₊的状态图；

图6 确定当前锁区，并确定锁区内可以使用的矢量；

图7 计算扇区图q轴矩阵D的流程图；

图8 计算矢量表的零矢量流程图。

具体实施方式

       下面结合附图对本发明的具体实施方式进行介绍： 

       如图1所示，一种任意层次实时扇区细分型的直接转矩控制方法的步骤如下：

S1: 确定当前电机控制系统的扇区总数x，根据公式

确定扇区关系系数n。

如图2所示，步骤S1中包括，S11:确认当前电机控制系统的当前扇区总数x；S12:判断当前扇区总数与6扇区基本系统的关系系数，其公式为：

，其中x为当前电机控制系统的扇区总数，由该公式

可以求出当前电机控制系统与基本6扇区的关系系数n； 

直接转矩控制DTC的基本扇区是6扇区系统，该方法可以进行扇区细化，所以需要事先判断出扇区系统的关系系数n，为下一步的控制提供标示量。这里n=1时，当前扇区系统为基本6扇区系统；n=2时，当前扇区系统为12系统；12扇区系统是将基本6扇区系统再进行扇区平均等分得来，其他扇区系统与之同理。

S2: 根据扇区关系系数n、基本矢量总数m构建m层扇区总图； 

如图3所示，是一个可以由m个基本矢量组成的m层数扇区的扇区总图，m为任意正整数。使用m个基本矢量合成一个新矢量，图中所示的1～6轴表示6个基本矢量，这6个基本矢量是不变的。扇区总图中虚线所交的每一个点都是可以产生新矢量的位置。对每一个位置进行标号 (i j)，其中i为层号，表示该位置的矢量位于第i层，j为矢量在当前层的编号，表示该位置是以a轴正方向为初始点，逆时针排序的第j号矢量。第i层也意味着使用i个基本矢量和(m-i)个零矢量。

S3: 判断当前电机磁链所在的位置，根据此位置锁定扇区总图中当前位置下可以使用的矢量； 

如图4所示，计算当前磁链的位置的具体步骤为，S31：实时计算得到当前电机系统定子磁链的a，b分量；S32：计算

；S33：判断Ψ_a，Ψ_b的正负，得到当前电机磁链所在的位置。判断当前位置所在的锁区，当前锁区位置决定了当前扇区总图中可以选用的矢量，每个锁区可以选择的矢量都不同。

如图5所示，图5是6扇区系统扇区S₁和12扇区细分系统扇区S_1-和扇区S₁₊，包括4个基本矢量组成的4层扇区的当前锁区状态图。由图可以见 m=4，无论是否细化扇区，扇区都从基本6扇区编号初始点处开始编号。锁区的状态和细化扇区无关，只与当前扇区位置有关。设S_x为锁区编号，图5中，扇区位置都是在基本6扇区S₁中，所以此时S_x=1。无论是否细化扇区系统，只要判断当前磁链位置所处的基本6扇区的位置就可以确定锁区。 

如图6所示，确定当前锁区，并确定锁区内可以使用的矢量的步骤包括：S34:确定当前锁区情况后，在锁区给出的矢量中选择出两对主矢量，这两对主矢量是在6个主矢量中选取不在扇区轴线的剩余的4个矢量。连续两个主矢量之间包夹的矢量就是锁区中可以用于控制的矢量。选择的两对主矢量为： [1+S_x×i:1: 1+(S_x+1)×i]和[1+(S_x+3)×i:1: 1+(S_x+4)×i]，其中S_x∈[1, 6]，S_x为锁区编号。S35：这里有两对主矢量，前一对区间[a₁ :1: b₁]用于判断q轴上方的矢量情况；a₁为上半部分的起始，b₁为上半部分的结束；后一对区间[a₂:1:b₂]用于判断q轴下方的矢量情况；a₂为下半部分的起始，b₂为下半部分的结束。将上面的主矢量情况标记为[a:1:b]，a为起始的主矢量；b为结尾的主矢量；1为起始主矢量到结尾主矢量之间，矢量的编号每次加1（编号定义区矢量）。根据情况分为： 

①     a<(6×i)且b<(6×i)，这种情况下为[a:1:b]

②  a<(6×i)且b>(6×i)，这种情况下为[a:1:(6×i)]+[1:1:b-(6×i)]

②    a>(6×i)且b>(6×i)，这种情况下为[a-(6×i):1:b-(6×i)]

S36：补全矢量，从初始矢量依次加1，一直到终结矢量。

S4: 检测电机的瞬时速度，根据所述电机的瞬时速度标识、转矩标识和磁链标识选择和所述扇区总图层数相同数目的基本矢量，用于合成控制矢量； 

S41 将0～电机额定转速，均分为m段，检测或者计算电机的实时当前速度，确定当前速度所在的速度段，从而得到当前速度段标志；

S42 形成有2m+1个输出的转矩滞环比较器，排列为：

m

+3

+2

+1

0

-1

-2

-3

-m

此时系统总层数为m。

S43 磁链滞环比较器有两种不同的情况 

如果m为偶数时，磁链滞环比较器有m个输出，排列为：

m/2

+3

+2

+1

-1

-2

-3

-m/2

如果m为奇数时，磁链滞环比较器有m+1个输出，排列为：

(m+1)/2

+3

+2

+1

-1

-2

-3

-(m+1)/2

当确定合成矢量的数目，以及电机的瞬时速度标识、转矩标识和磁链标识就可以生成矢量表的基本结构，其为a×b的矩阵，其中a为偶数时，a=m；a为奇数时，a=m+1；b=2m-1。实时生成的多层矢量表的形式如下表所示：

m+1

+2

+1

0

-1

-2

-(m+1)

+a

nij

nij

nij

nij

nij

nij

nij

+1

-1

-a

nij

nij

nij

nij

nij

nij

nij

其中n_ij为1×2矩阵形式的元素，n_ij（1,1）为矢量表元素当前层的编号i，n_ij（1,2）为矢量表元素在该层的序列编号j。每层的矢量个数S_i=6×i（i=层数），总的矢量数目

（i为层数，m为总的层数）。矢量主要分为如图3中在1～6号轴上的主矢量和不在轴上的非主矢量，其中：

①    主矢量

②非主矢量

……

其中i∈[1, m]，j∈[1, S_i]，l∈[2, i]。i为层数，m为总的层数，S_i为i层中总的矢量数，j为新生成的合成矢量在i层的编号。这里可以看出，新生成的合成矢量n_ij每一个元素都是由基本矢量k和零矢量Z合成的。

S5: 根据所述电机控制系统扇区的总数目和控制矢量的位置，确定控制矢量所在的锁区位置，并以此构建电机控制系统的坐标轴； 

如上面图6所述，按照上面的方法可以确定控制矢量所在的锁区位置，并且可以明确当前锁区中用于控制的全体矢量。

图7是计算q轴矩阵D的流程。如在S1中所述，得到当前扇区总数与6扇区基本系统的关系系数n，这里n可以用于扇区细分(矢量细化)的控制操作。如图5所示，就扇区的等分线作正交坐标系，不同的扇区的坐标轴是不同的。这里意味着普通DTC控制和扇区细分型的坐标轴是不同的，这里就图5说明它们之间的规律。带箭头实线坐标轴d-q是6扇区状态扇区S₁的坐标轴，带箭头虚线坐标轴D-Q是细分矢量12扇区状态扇区S_1-的坐标轴，点状线为12扇区区间线。扇区细化如12扇区、24扇区等等，都是以6扇区的等比数列x=6×2^n-1向上增加的。从基本6扇区系统S₁初始处逆时针依次标号扇区编号(扇区细分的起始编号都是从基本6扇区初始处起始)，可见6扇区状态的扇区S₁和12扇区状态的扇区S₁相比坐标轴顺时针旋转30^o，依次12扇区状态的扇区S₁和24扇区状态的扇区S₁相比坐标轴顺时针旋转15^o；在矢量上表现为：6扇区的q轴穿越原点与矢量（2，4），12扇区的q轴穿越原点与矢量（4，6），24扇区的q轴穿越原点与矢量（8，10）……这是细化扇区时q轴在矢量上的变化。 

定义矩阵D_m×2，D的行数是按照矢量层数而选择的，D的列数取2，对照磁链标志送入最接近q轴的两个矢量。这两个矢量按照矢量逆时针标号顺序送入D，其中一个矢量可以增加磁链，另一个矢量可以减小磁链，这两个矢量是锁定扇区同层次中对磁链作用最小的矢量。以零层i=0为中心分q轴正半部分的矩阵D₁和q轴负半部分的矩阵D₂。确定x分扇区与6扇区的关系系数n，该扇区(S_n)q轴与2ⁿ的倍数层上有交点，该交点在当前层的编号为1+S_x×2ⁿ×w+aw，其中a=S_n-2^n-1(S_x-1)，S_n为当前扇区，S_x为当前锁区；w为从第一个交点至最后遇到的交点之间遇到交点段的次数。q轴穿越的交点与下一个交点有着2ⁿ-1层，这2ⁿ-1层中D列上矢量的选择与交点的位置有着密切的联系。 

图7的计算流程中，首先为先计算q轴的正方向，为初始化段数计数w=1，即计算q轴没有到达第一个交叉点时候的情况。如果当前层数是在交点段中，接下去判断，如果当前层数不是在交点段中，交点段数自加1继续判断，直至找到当前层数属于的交点段。最后根据当前层数在交点段中的位置，再结合磁链标志，将q轴矢量送入到矩阵D₁。同理判断q轴的负方向，将其q轴矢量送入到矩阵D₂。矩阵D₁和矩阵D₂组成q轴矩阵D，矩阵D其实是一个m×2的矩阵，里面存放着两个q轴上对磁链作用最小的矢量，一个是增大磁链，另一个是减小磁链。 

图7的计算流程中，送入矩阵D的具体流程： 

①    首先为先计算q轴的正方向；

②    为初始化段数计数w=1，即计算q轴没有到达第一个交叉点时候的情况；a₁=S_x1-2^n-1(S_x-1)，a₁为偏移量系数，S_x1为当前矢量所在扇区编号，S_x为锁区编号；

③    如果当前层数是在交点段中，接下去判断，如果当前层数不是在交点段中，交点段数自加1继续判断，直至找到当前层数属于的交点段数。每一段为[2ⁿ(w-1), 2ⁿw]；

④    根据当前层数在交点段中的位置，再结合磁链标志，将q轴矢量送入到矩阵D₁。同理判断q轴的负方向，将其q轴矢量送入到矩阵D₂。矩阵D₁和矩阵D₂组成q轴矩阵D，矩阵D其实是一个m×2的矩阵，里面存放着两个q轴上对磁链作用最小的矢量，一个是增大磁链，另一个是减小磁链。具体步骤为：

情况一：

ⅰ 当前层数为交点段初始点，i==2ⁿ(w-1)

ⅱ 交点为j_cross=1+S_x2ⁿ(w-1)+a₁(w-1)，其中S_x为锁区编号，w为当前段数计数，a₁为偏移量系数

ⅲ 判断磁链标志

A 增加磁链

⑴确定当前所选择的矢量标号j，j= j_cross-1+(S_x-1)i，j_cross为交点，S_x为锁区编号

⑵矩阵D₁(i, 1)=j，矩阵D₁(i, 1)中的元素为j

B 减小磁链

⑴确定当前所选择的矢量标号j，j= j_cross+(S_x-1)i，j_cross为交点，S_x为锁区编号

⑵矩阵D₁(i, 2)=j，矩阵D₁(i, 2)中的元素为j

情况二：

ⅰ 当前层数在交点段内，2ⁿ(w-1)<i< 2ⁿw

ⅱ 交点为j_cross=1+S_x2ⁿw+a₁w，b₁=w2ⁿ-i，其中S_x为锁区编号，w为当前段数计数，a₁,b₁为偏移量系数

ⅲ 判断磁链标志

A 增加磁链

⑴确定当前所选择的矢量标号j，j= j_cross-b₁-1+(S_x-1)i，j_cross为交点，S_x为锁区编号, b₁为偏移量系数

⑵矩阵D₁(i, 1)=j，矩阵D₁(i, 1)中的元素为j

B 减小磁链

⑴确定当前所选择的矢量标号j，j= j_cross-b₁+(S_x-1)i，j_cross为交点，S_x为锁区编号, b₁为偏移量系数

⑵矩阵D₁(i, 2)=j，矩阵D₁(i, 2)中的元素为j

情况三：

ⅰ 当前层数为交点段终点，i==2ⁿw

ⅱ 交点为j_cross=1+S_x2ⁿw+a₁w，其中S_x为锁区编号，w为当前段数计数，a₁为偏移量系数

ⅲ 判断磁链标志

A 增加磁链

⑴确定当前所选择的矢量标号j，j= j_cross-1+(S_x-1)i，j_cross为交点，S_x为锁区编号

⑵矩阵D₁(i, 1)=j，矩阵D₁(i, 1)中的元素为j

B 减小磁链

⑴确定当前所选择的矢量标号j，j= j_cross+(S_x-1)i，j_cross为交点，S_x为锁区编号

⑵矩阵D₁(i, 2)=j，矩阵D₁(i, 2)中的元素为j

S6: 根据所述电机的瞬时速度确定零矢量，并根据所述零矢量合成实时的矢量表；

在图8中，所示是计算零矢量的流程。在任意层次实时扇区细分型的直接转矩控制中零矢量的选择是非常重要的环节，选择出合适的零矢量有助于系统的定位，从而选择出其他的控制矢量，简单的说，零矢量的选择就是整个矢量选择系统的灵魂。将额定速度分为m段，第1段选择0层作为零矢量选择源，第2段选择1层作为零矢量选择源……所以第m段选择，m-1层作为零矢量选择源。再按照磁链标志选择q轴上的矢量，磁链标志分为磁链增加/减少，最终确立的q轴上的零矢量其实是一个m×2的矩阵。

如图8，先检测当前系统的速度，若当前速度段的零矢量层号为i=C_speed-1，判断零矢量层是否与q轴有交点，如果有交点，根据磁链标志取其对应的零矢量，同理没有交点的时候，也根据磁链标志取其对应的零矢量。最后根据转矩和磁链标志选择所需的控制矢量。 

S7: 根据电机的瞬时速度标识、转矩标识和磁链标识的状态从所述矢量表中选取合适的矢量值，用于电机的控制。 

在如S4中的矢量选择表中，按照S5，S6的流程确定了矢量选择表的轴线和基准零点，然后再根据速度标识、转矩标识和磁链标识的状态计算出所要选择的合适矢量值用于电机的控制。 

这里总结出任意层次实时扇区细分型的直接转矩控制的实时矢量表生成法则： 

原则a：以扇区的等分线作正交坐标系，并以此坐标系为分界线。所得到的新矢量在ab坐标系中的a分量，如果与a正方向一致时，该矢量能增大磁链幅值；若相反方向，减小磁链幅值。

原则b：设扇区逆时针旋转方向为正方向。确定的扇区正向旋转时，相应扇区的ab坐标系也正方向同步旋转的，可视为同步旋转坐标系d-q。 

原则c：矢量对转矩的作用效果是外层矢量效果明显于内层矢量。 

原则d：当前速度对转矩控制矢量的选择也有影响，当前速度决定了当前矢量的零矢量，速度状态上升/下降的时候，零矢量所在的层数也要上升/下降。 

原则e：矢量对磁链的作用效果是以q轴为中心点。同层矢量中越远离q轴，对磁链的作用效果越大。 

原则f：转矩减小的实质在于停滞或反向合成的新矢量的旋转方向。在中速的情况，稍减缓合成的新矢量的旋转速度就可以达到减小转矩的目的了。 

原则g：扇区S₁的合成矢量规律正向旋转固定角度为扇区S₂的合成规律，同理可到扇区S_x。 

在扇区旋转的时候，矢量编号也是以一定规则在变化的。每层扇区编号总数为6i，矢量表锁区系统分为6个区域模块，所以同一层中的元素从一个锁区逆时针方向依次变化到下一个区域中的时候，矢量标号变化为6i/6=i，也就是说当前矢量的编号加上i，就是下一个区域中对应矢量的编号。旋转的规律为： 

目标矢量=当前矢量+[S_(k+1)－S_(k)]×当前层，S_(k)为锁区号。

Claims (4)

1.一种任意层次实时扇区细分型的直接转矩控制方法，其特征在于包括以下步骤：

S1: 确定当前电机控制系统的扇区总数x，根据公式 确定扇区关系系数n；

S2: 根据扇区关系系数n、基本矢量总数m构建m层扇区总图；

S3: 判断当前电机磁链所在的位置，根据此位置锁定所述扇区总图中当前位置下可以使用的矢量；

S4: 检测电机的瞬时速度，根据所述电机的瞬时速度标识、转矩标识和磁链标识选择和所述扇区总图层数相同数目的基本矢量，用于合成控制矢量；

S5: 根据所述电机控制系统扇区的总数目和控制矢量的位置，确定控制矢量所在的锁区位置，并以此构建电机控制系统的坐标轴；

S6: 根据所述电机的瞬时速度确定零矢量，并根据所述零矢量合成实时的矢量表；

S7: 根据电机的瞬时速度标识、转矩标识和磁链标识的状态从所述矢量表中选取合适的矢量值，用于电机的控制。

2.根据权利要求1所述的一种任意层次实时扇区细分型的直接转矩控制方法，其特征在于：所述步骤S2中的m为任意正整数。

3.根据权利要求1所述的一种任意层次实时扇区细分型的直接转矩控制方法，其特征在于：所述步骤S3中判断当前电机磁链所在的位置的步骤为:

S31：实时计算得到当前电机系统定子磁链的a，b分量；

S32：计算；

S33：判断Ψ_a，Ψ_b的正负，得到当前电机磁链所在的位置。

4.根据权利要求1所述的一种任意层次实时扇区细分型的直接转矩控制方法，其特征在于：所述步骤S4控制矢量的每层的矢量个数S_i=6×i，总的矢量数目，其中i为层数，m为总的层数。

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