CN102364871B - 一种感应电动机直接转矩控制的方法及控制装置 - Google Patents

一种感应电动机直接转矩控制的方法及控制装置 Download PDF

Info

Publication number
CN102364871B
CN102364871B CN2011103242884A CN201110324288A CN102364871B CN 102364871 B CN102364871 B CN 102364871B CN 2011103242884 A CN2011103242884 A CN 2011103242884A CN 201110324288 A CN201110324288 A CN 201110324288A CN 102364871 B CN102364871 B CN 102364871B
Authority
CN
China
Prior art keywords
vector
torque
voltage
control
space vector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN2011103242884A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102364871A (zh
Inventor
姬宣德
辛伊波
丁海峰
邹辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Luoyang Institute of Science and Technology
Original Assignee
Luoyang Institute of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Luoyang Institute of Science and Technology filed Critical Luoyang Institute of Science and Technology
Priority to CN2011103242884A priority Critical patent/CN102364871B/zh
Publication of CN102364871A publication Critical patent/CN102364871A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102364871B publication Critical patent/CN102364871B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

本发明涉及感应电动机控制领域，公开一种感应电动机直接转矩控制的控制方法及装置，所述方法是将给定转矩角
Figure 986394DEST_PATH_IMAGE001
与反馈转矩角的电信号通过差值控制器经电压空间矢量估计器产生的期望电压空间矢量
Figure 417299DEST_PATH_IMAGE003
至空间矢量调制发生器SVM发出电压逆变器的开关信号，驱动感应电动机；所述装置由差值控制器的第一输入端与给定转矩角控制器相连，第二输入端与转角磁链观测器的第一路输出端相连；差值控制器通过电压空间矢量估计器、空间矢量调制发生器SVM与逆变器相连；本发明实现了感应电动机的转矩控制，省略了磁链和转矩控制的两个调节器，使得控制系统结构简单，且降低了设计的难度，生产成本低。

Description

一种感应电动机直接转矩控制的方法及控制装置
技术领域
本发明涉及感应电动机控制领域，尤其涉及利用空间矢量调制的一种感应电动机直接转矩控制的控制方法及装置。
背景技术
目前，感应电动机是交流传动中应用最广泛的电动机，但是由于其复杂的控制特性，感应电动机的高性能控制是交流传动技术待解决的难题之一。
20世纪70年代，德国工程师F.Blashke提出了感应电动机的转子磁场定向控制原理，即通常所说的矢量控制原理，使得交流调速技术了一次质的飞跃。它从理论上基本解决了感应电动机控制在静、动态特性上可以与直流电动机相媲美这一问题。矢量控制技术模仿直流电动机的控制，采用转子磁场定向的方法，实现了对感应电动机转速和转子磁链控制的解耦。但是，在实际控制中，转子磁链不易直接测量又很难准确观测，而且矢量控制的控制特性受参数变化影响很大，同时模拟直流电动机控制过程中要进行旋转坐标变换等复杂的运算，使得矢量控制的实际效果很难达到理想分析的结果。
德国鲁尔大学M.Depenbrock教授首次提出了直接转矩控制，为感应电动机的高性能控制开辟了崭新方向。它很大程度上解决了矢量控制算法复杂、控制性能易受电机转子参数变化影响等缺点，一经提出就受到了广泛关注， 成为研究的热点。与矢量控制相比，直接转矩控制主要的特点：
1：控制容易观测的定子磁链并通过直接反馈控制转矩；
2：不需要旋转变换；
3：通过滞环比较器和查寻空电压矢量选择表的方式直接生成逆变器开关信号驱动电动机。
在两相静止坐标（                                                
Figure 996230DEST_PATH_IMAGE001
）下以定、转子磁链为状态变量的感应电机状态方程：
Figure 216996DEST_PATH_IMAGE002
                           (1)
式中，
Figure 600703DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 419886DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 496426DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 266805DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 139690DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 62647DEST_PATH_IMAGE008
；
估计定子磁链和转子磁链的状态观测器可以通过下列方程描述：
Figure 559356DEST_PATH_IMAGE009
                                              (2)
Figure 567763DEST_PATH_IMAGE010
                                                              (3)
上述表达式中，代表观测器的估计值。
Figure 149365DEST_PATH_IMAGE012
是观测器增益矩阵。
电机的电磁转矩可以表示为定子磁链和转子磁链的形式：
                       (4)
表示异步电机的极对数；
Figure 841881DEST_PATH_IMAGE015
表示矢量积；
Figure 221653DEST_PATH_IMAGE016
表示定子磁链矢量在两相静止坐标上的转角；
Figure 810897DEST_PATH_IMAGE017
表示转子磁链矢量在两相静止坐标上的转角；
Figure 43165DEST_PATH_IMAGE018
表示定子和转子磁链之间的夹角，即磁通角。
定子磁链幅值和转子磁链幅值保持恒定时，感应电动机的电磁转矩与
Figure 376057DEST_PATH_IMAGE019
成比例关系。感应电动机的直接转矩控制通过调整定子磁链矢量的幅值和转角来控制转矩。
由方程(1)变换推导得到定子磁链的动态方程满足：
在忽略定子电阻压降的假设下，在控制周期内
Figure 638990DEST_PATH_IMAGE021
对定子磁链动态方程积分：
Figure 92974DEST_PATH_IMAGE022
        (5)
离散化得到：
Figure 963978DEST_PATH_IMAGE023
            (6)
与矢量控制不同，直接转矩控制在控制周期
Figure 341780DEST_PATH_IMAGE021
内，定子电压是由逆变器生成的6个（或者包括零矢量在内的8个）电压矢量之一，那么对于(6)式，在控制周期
Figure 538406DEST_PATH_IMAGE021
内定子电压保持恒定，由逆变器生成的空间电压矢量控制定子磁链动态的原理如图1所示。可见在
Figure 214107DEST_PATH_IMAGE024
作用下，定子磁链矢量的幅值和转角都将发生变化。
Figure 154382DEST_PATH_IMAGE025
表1 空间电压矢量选择表
假设在控制周期
Figure 366182DEST_PATH_IMAGE021
内，当定子磁链发生变化时，转子磁链的幅值和转角都不发生变化，且规定逆时针方向为定子磁链角度变化的正方向，则可以根据定子磁链的位置选择空间电压矢量来改变定子磁链的幅值和转矩。例如图1所示，假设在k时刻感应电动机定子磁链的转角在I区间(
Figure 468130DEST_PATH_IMAGE026
)，在控制周期
Figure 896707DEST_PATH_IMAGE021
内，选择
Figure 437409DEST_PATH_IMAGE027
，则在
Figure 752984DEST_PATH_IMAGE028
的作用下，在k+1时刻满足
Figure 39216DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 440241DEST_PATH_IMAGE030
。即在
Figure 971586DEST_PATH_IMAGE028
作用下定子磁链的幅值增加，转矩也增加。根据图1和定子磁链矢量所在区间位置可以生成控制定子磁链幅值和转矩的空间电压矢量选择表。表1为目前通常采用的空间电压矢量选择表。图2为传统感应电动机直接转矩控制系统原理图。从图2可以看出，传统感应电动机直接转矩控制系统利用两个滞环比较器实现磁链和转矩的解耦控制，在一个控制周期内依据磁链和转矩误差的正或者负，通过开关选择表依据定子磁链矢量所在区间
Figure 407246DEST_PATH_IMAGE031
选择6个（或者8个）定子电压矢量中的一个来控制磁链和转矩增加或者减小的趋势。在此意义上直接转矩控制对磁链和转矩的控制是一种“定性”的方法，从而造成了逆变器的开关周期不恒定，转矩和磁链控制脉动大等缺点。
针对传统感应电动机直接转矩控制的缺点，有学者将空间矢量调制(SVM)概念用于直接转矩控制，采用两个PI调节器实现磁链和转矩的解耦控制，进而生成电压空间矢量，然后利用空间矢量调制(SVM)生成所需驱动信号，图3是基于空间矢量调制感应电动机直接转矩控制系统原理图。与传统直接转矩控制不同，直接转矩控制对磁链和转矩的控制是一种“定量”的方法，在空间矢量模式下，具有逆变器开关周期恒定、减小转矩和磁链控制脉动的优点。但从图中可以看出，基于空间矢量调制感应电动机直接转矩控制结构极为复杂，先利用一个速度PI调节器实现给定转矩输出，再用转矩和磁链两个PI调节器来实现转矩和磁链的解耦控制，从而使系统调节器参数设计变得极为困难，而且还利用了定子磁链矢量转速
Figure 755630DEST_PATH_IMAGE033
。
矢量控制和直接转矩控制分别在理论上和实践方面极大地促进了感应电动机高性能控制的发展，但因其各自存在的优缺点，使得二者不能被其中之一所取代，开发结构简单、鲁棒性强、而且具有良好动静态性能的控制方法是感应电动机高性能控制理论和实践的难题，而这一难题至今仍然没有得到很好的解决。
发明内容
为解决空间矢量调制感应电动机直接转矩控制结构复杂、调节器参数设计困难这一难题，本发明提出了一种感应电动机直接转矩控制的方法及控制装置，能够实现感应电动机的转矩控制，省略磁链和转矩控制的两个调节器，使得控制系统结构简单，降低了控制系统调节器参数设计的难度。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种感应电动机直接转矩控制的控制装置，包括：速度调节器PI、给定转矩角控制器、差值控制器、转角磁链观测器、电压空间矢量估计器、空间矢量调制(SVM)发生器、逆变器；所述差值控制器的第一输入端与输出给定转矩
Figure 825086DEST_PATH_IMAGE032
电信号的速度调节器PI电连接的给定转矩角控制器相连，差值控制器的第二输入端与连接电机输入端的两个坐标变换器电连接的转角磁链观测器的第一路输出端相连；所述将给定转矩角控制器转换的给定转矩角
Figure 115253DEST_PATH_IMAGE034
电信号和转角磁链观测器转换的反馈转矩角
Figure 477708DEST_PATH_IMAGE018
电信号转换成转矩角差电信号的差值控制器通过电压空间矢量估计器、空间矢量调制发生器SVM与逆变器相连；所述电压空间矢量估计器与输出期望磁链矢量
Figure 726473DEST_PATH_IMAGE036
的期望定子磁链控制器输出端相连，电压空间矢量估计器与转角磁链观测器的第二路输出端相连，所述输出电压空间矢量
Figure 871146DEST_PATH_IMAGE037
的电压空间矢量估计器通过电压空间矢量调制发生器SVM、逆变器与感应电动机相连。
一种感应电动机直接转矩控制的控制装置，差值控制器就是利用给定转矩角控制器输出的给定转矩角
Figure 673011DEST_PATH_IMAGE034
和转角磁链观测器输出的反馈转矩角相减从而产生转矩角差的一种控制器。
一种感应电动机直接转矩控制的控制装置，转角磁链观测器就是利用由电压电流坐标变换器输出的电压、电流电信号通过磁链计算公式和转角计算公式产生定子磁链矢量
Figure 211943DEST_PATH_IMAGE038
、定子电流矢量、定子磁链矢量转角
Figure 266410DEST_PATH_IMAGE016
信号的一种观测器。
一种感应电动机直接转矩控制系统的控制装置，电压空间矢量估计器就是利用给定定子磁链矢量幅值
Figure 481360DEST_PATH_IMAGE040
、定子磁链矢量、定子电流矢量
Figure 744293DEST_PATH_IMAGE039
、定子磁链矢量转角、转矩角差
Figure 334860DEST_PATH_IMAGE035
的电信号，产生期望定子电压空间矢量
Figure 308633DEST_PATH_IMAGE041
电信号的一种估计器。
一种感应电动机直接转矩控制的方法，是将给定转矩角
Figure 620272DEST_PATH_IMAGE034
与反馈转矩角
Figure 679495DEST_PATH_IMAGE018
的电信号通过差值控制器经电压空间矢量估计器产生的期望电压空间矢量
Figure 236247DEST_PATH_IMAGE037
至空间矢量调制发生器SVM发出电压逆变器的开关信号，驱动感应电动机；其步骤如下： 
1）、提取给定转矩角
Figure 330105DEST_PATH_IMAGE034
和定子磁链幅值
Figure 815575DEST_PATH_IMAGE040
的电信号，定子磁链幅值
Figure 362094DEST_PATH_IMAGE040
的电信号由期望定子磁链控制器设定；
2）、通过转角磁链观测器处理由电压电流坐标变换器输出的定子电流和定子电压的电信号，提取第一路反馈转矩角
Figure 394641DEST_PATH_IMAGE018
的电信号和第二路定子磁链矢量转角
Figure 215442DEST_PATH_IMAGE016
、定子磁链矢量和定子电流矢量的电信号； 
3）、通过差值控制器处理给定转矩角
Figure 121081DEST_PATH_IMAGE034
和反馈转矩角的电信号，提取转矩角差
Figure 554916DEST_PATH_IMAGE035
的电信号；
4）、通过电压空间矢量估计器处理给定定子磁链矢量幅值
Figure 872633DEST_PATH_IMAGE040
、定子磁链矢量
Figure 634660DEST_PATH_IMAGE038
、定子电流矢量
Figure 890192DEST_PATH_IMAGE039
、定子磁链矢量转角
Figure 592437DEST_PATH_IMAGE016
、转矩角差
Figure 515394DEST_PATH_IMAGE035
的电信号，产生期望定子电压空间矢量
Figure 513568DEST_PATH_IMAGE041
的两个分量、
Figure 496753DEST_PATH_IMAGE043
的电信号；
5）、通过空间矢量调制发生器SVM处理期望定子电压空间矢量的电信号，产生电压型逆变器的开关控制信号SA，SB，SC，通过电压型逆变器驱动感应电动机。
一种感应电动机直接转矩控制的方法，所述给定转矩角
Figure 274217DEST_PATH_IMAGE034
的电信号是用电磁转矩
Figure 440362DEST_PATH_IMAGE044
与转矩角
Figure 936066DEST_PATH_IMAGE018
的近似线性关系，把速度调节器输出的给定转矩
Figure 714535DEST_PATH_IMAGE032
通过给定转矩角控制器变为给定转矩角
Figure 612084DEST_PATH_IMAGE034
；所述给定转矩角
Figure 263645DEST_PATH_IMAGE034
的电信号提取采用：
 (1) 在忽略定、转子电磁惯性的条件下，定、转子磁链矢量幅值恒定，由电磁转矩公式可近似得到
Figure 731798DEST_PATH_IMAGE045
；                        
(2) 由给定转矩
Figure 64690DEST_PATH_IMAGE032
可以得到给定转矩角
Figure 66013DEST_PATH_IMAGE046
。
一种感应电动机直接转矩控制的方法，所述转矩角差
Figure 826158DEST_PATH_IMAGE035
由转角磁链观测器求出反馈转矩角
Figure 802115DEST_PATH_IMAGE018
，利用差值控制器求出期望定子磁链矢量
Figure 938698DEST_PATH_IMAGE036
与观测定子磁链矢量
Figure 794528DEST_PATH_IMAGE038
的转矩角差；
一种感应电动机直接转矩控制的方法，所述反馈转矩角
Figure 292953DEST_PATH_IMAGE018
的电信号由转角磁链观测器计算出定子磁链
Figure 233227DEST_PATH_IMAGE038
、定子磁链矢量转角和反馈转矩角
Figure 544047DEST_PATH_IMAGE018
；
(1)通过电压电流测量电路从逆变器输出端测量出定子相电流
Figure 972623DEST_PATH_IMAGE047
和定子相电压
Figure 451009DEST_PATH_IMAGE048
，再由
Figure 517316DEST_PATH_IMAGE049
、
Figure 118062DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 519087DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 50431DEST_PATH_IMAGE052
计算出定子电流矢量和定子电压矢量；
(2)由转角磁链观测器计算出定子磁链矢量的两个分量
Figure 220513DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 677646DEST_PATH_IMAGE054
和转子磁链矢量的两个分量、
Figure 635423DEST_PATH_IMAGE056
；
(3)由转角计算公式
Figure 925590DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 556554DEST_PATH_IMAGE058
计算出定子磁链矢量的转角
Figure 119122DEST_PATH_IMAGE016
和转子磁链矢量的转角；
(4)由转矩角计算公式
Figure 635478DEST_PATH_IMAGE059
计算出反馈转矩角
Figure 686611DEST_PATH_IMAGE018
。
一种感应电动机直接转矩控制的方法，所述期望电压空间矢量是用转矩角差、定子磁链矢量转角、期望定子磁链矢量幅值、观测定子磁链矢量和定子电流矢量，通过电压空间矢量估计器得到期望电压空间矢量
Figure 960783DEST_PATH_IMAGE037
； 
一种感应电动机直接转矩控制的方法，所述电压型逆变器的开关控制信号SA，SB，SC，根据期望电压空间矢量
Figure 976275DEST_PATH_IMAGE060
、计算：
(1)由电压幅值计算公式
Figure 532207DEST_PATH_IMAGE062
和转角计算公式
Figure 497889DEST_PATH_IMAGE063
计算出定子电压矢量的幅值
Figure 364957DEST_PATH_IMAGE064
和转角
Figure 757892DEST_PATH_IMAGE065
； 
(2)通过
Figure 579087DEST_PATH_IMAGE065
确定合成定子电压的两个相邻基本电压矢量(主矢量和副矢量)：
①
Figure 82880DEST_PATH_IMAGE066
，
Figure 72964DEST_PATH_IMAGE065
在N=I区间，
Figure 636801DEST_PATH_IMAGE041
在、
Figure 252776DEST_PATH_IMAGE068
之间，采用主矢量
Figure 94437DEST_PATH_IMAGE067
、副矢量
Figure 16125DEST_PATH_IMAGE068
；
②
Figure 562644DEST_PATH_IMAGE069
，
Figure 158973DEST_PATH_IMAGE065
在N=II区间，
Figure 107337DEST_PATH_IMAGE041
在
Figure 262244DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 296059DEST_PATH_IMAGE028
之间，采用主矢量
Figure 693149DEST_PATH_IMAGE068
、副矢量
Figure 496020DEST_PATH_IMAGE028
；
③
Figure 821828DEST_PATH_IMAGE070
，
Figure 342939DEST_PATH_IMAGE065
在N=III区间，
Figure 546649DEST_PATH_IMAGE041
在、
Figure 700736DEST_PATH_IMAGE071
之间，采用主矢量
Figure 709143DEST_PATH_IMAGE028
、副矢量
Figure 448036DEST_PATH_IMAGE071
；
④
Figure 225499DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 893110DEST_PATH_IMAGE065
在N=IV区间，
Figure 388813DEST_PATH_IMAGE041
在
Figure 668747DEST_PATH_IMAGE071
、
Figure 300717DEST_PATH_IMAGE073
之间，采用主矢量
Figure 404808DEST_PATH_IMAGE071
、副矢量
Figure 122228DEST_PATH_IMAGE073
；
⑤
Figure 38861DEST_PATH_IMAGE074
，在N=V区间，
Figure 800329DEST_PATH_IMAGE041
在
Figure 5045DEST_PATH_IMAGE073
、
Figure 892361DEST_PATH_IMAGE075
之间，采用主矢量
Figure 498923DEST_PATH_IMAGE073
、副矢量
Figure 679237DEST_PATH_IMAGE075
；
⑥，
Figure 793748DEST_PATH_IMAGE065
在N=VI区间，
Figure 254816DEST_PATH_IMAGE041
在、
Figure 50920DEST_PATH_IMAGE067
之间，采用主矢量
Figure 14459DEST_PATH_IMAGE075
、副矢量
Figure 595613DEST_PATH_IMAGE067
；
(3)当前时刻，期望电压空间矢量
Figure 117730DEST_PATH_IMAGE041
在区间N内，采用由下式计算定子电压矢量相邻的基本电压矢量(主、副电压矢量)和零矢量
Figure 784334DEST_PATH_IMAGE077
、
Figure 548635DEST_PATH_IMAGE078
的作用时间：
在设定的SVM控制周期
Figure 984295DEST_PATH_IMAGE021
内，
Figure 942893DEST_PATH_IMAGE079
，
Figure 831214DEST_PATH_IMAGE080
主矢量的作用时间：
Figure 692302DEST_PATH_IMAGE082
，
副矢量的作用时间
Figure 821801DEST_PATH_IMAGE083
：
Figure 197419DEST_PATH_IMAGE084
，
Figure 303522DEST_PATH_IMAGE077
、
Figure 713775DEST_PATH_IMAGE078
的作用时间
Figure 14175DEST_PATH_IMAGE085
、
Figure 877089DEST_PATH_IMAGE086
：
Figure 789812DEST_PATH_IMAGE087
；
(4)根据主、副电压矢量和零矢量以及各自的作用时间确定逆变器三相开关控制信号SA，SB，SC：
逆变器产生的主、副电压矢量和零矢量所对应的三相开关信号分别是( SA，SB，SC)：
Figure 260294DEST_PATH_IMAGE077
(000)，
Figure 610503DEST_PATH_IMAGE067
(100)，
Figure 323988DEST_PATH_IMAGE068
(110)， (010)，
Figure 819878DEST_PATH_IMAGE071
(011)，
Figure 657384DEST_PATH_IMAGE073
(001)，
Figure 911910DEST_PATH_IMAGE075
(101)，
Figure 151261DEST_PATH_IMAGE078
(111)；
在一个SVM控制周期
Figure 698786DEST_PATH_IMAGE021
内定子电压矢量相邻的主、副电压矢量和零矢量的作用顺序如下：
Figure 23588DEST_PATH_IMAGE077
作用
Figure 78875DEST_PATH_IMAGE089
→主矢量作用
Figure 94105DEST_PATH_IMAGE090
→副矢量作用
Figure 828843DEST_PATH_IMAGE091
→作用→副矢量作用
Figure 434901DEST_PATH_IMAGE091
→主矢量作用
Figure 26026DEST_PATH_IMAGE090
→
Figure 59841DEST_PATH_IMAGE077
作用
Figure 958396DEST_PATH_IMAGE089
。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
本发明与传统直接转矩控制相比，省略了磁链和转矩控制的两个滞环比较器，实现了转矩和磁链的定量控制，使得转矩和磁链脉动减小，同时使得逆变器开关周期恒定，更易于数字化实现。与一般空间矢量调制直接转矩控制相比，本发明能够在忽略定、转子电磁惯性的条件下，利用电磁转矩
Figure 761267DEST_PATH_IMAGE044
与转矩角的近似线性关系，只需一个简单的差值控制器，而不需要设计参数的PI调节器就可以计算出期望定子电压矢量，以空间矢量调制(SVM)的方式发出电压逆变器的开关信号，实现感应电动机的转矩控制，省略磁链和转矩控制的两个调节器，使得控制系统结构简单，降低了控制系统调节器参数设计的难度。
附图说明
图1. 空间电压矢量控制定子磁链动态的原理图。
图2. 传统感应电动机直接转矩控制系统原理图。
图3. 基于空间矢量调制感应电动机直接转矩控制系统原理框图。
图4. 本发明方法的感应电动机直接转矩控制系统原理框图。
图5. 转矩角θ *与sinθ *的近似线性关系。
图6. 磁链与空间电压矢量图。
图7. 定子电压空间矢量分量
Figure 171968DEST_PATH_IMAGE092
和合成定子电压空间矢量
Figure 531591DEST_PATH_IMAGE088
的向量图。
图8. 三相电压型逆变器结构图。
图9. SVM方式生成电压空间矢量的原理图。
图10. 定子磁链矢量的顶点轨迹响应曲线图。
图11. 定子电流响应曲线图。
图12. 转矩响应曲线图。
图13. 转速响应曲线图。
具体实施方式
如图1至13所示，一种感应电动机直接转矩控制的控制装置，包括：速度调节器PI、给定转矩角控制器、差值控制器、转角磁链观测器、电压空间矢量估计器、空间矢量调制(SVM)发生器、逆变器；所述差值控制器的第一输入端与输出给定转矩
Figure 464519DEST_PATH_IMAGE032
电信号的速度调节器PI电连接的给定转矩角控制器相连，差值控制器的第二输入端与连接电机输入端的两个坐标变换器电连接的转角磁链观测器的第一路输出端相连；所述将给定转矩角控制器转换的给定转矩角
Figure 472926DEST_PATH_IMAGE034
电信号和转角磁链观测器转换的反馈转矩角
Figure 713283DEST_PATH_IMAGE018
电信号转换成转矩角差电信号的差值控制器通过电压空间矢量估计器、空间矢量调制发生器SVM与逆变器相连；所述电压空间矢量估计器与输出期望磁链矢量
Figure 659822DEST_PATH_IMAGE036
的期望定子磁链控制器输出端相连，电压空间矢量估计器与转角磁链观测器的第二路输出端相连，所述输出电压空间矢量的电压空间矢量估计器通过电压空间矢量调制发生器SVM、逆变器与感应电动机相连。
所述差值控制器就是利用给定转矩角控制器输出的给定转矩角和转角磁链观测器输出的反馈转矩角
Figure 628281DEST_PATH_IMAGE018
相减从而产生转矩角差的一种控制器。
所述转角磁链观测器就是利用由电压电流坐标变换器输出的电压、电流电信号通过磁链计算公式和转角计算公式产生定子磁链矢量、定子电流矢量
Figure 304657DEST_PATH_IMAGE039
、定子磁链矢量转角信号的一种观测器。
所述电压空间矢量估计器就是利用给定定子磁链矢量幅值
Figure 66126DEST_PATH_IMAGE040
、定子磁链矢量
Figure 21575DEST_PATH_IMAGE038
、定子电流矢量
Figure 158158DEST_PATH_IMAGE039
、定子磁链矢量转角
Figure 748408DEST_PATH_IMAGE016
、转矩角差
Figure 630520DEST_PATH_IMAGE035
的电信号，产生期望定子电压空间矢量电信号的一种估计器。
空间矢量调制直接转矩控制(SVM-DTC)原理
基本直接转矩控制的控制思想是：在保持定子磁链幅值恒定的情况下,转矩大小与定子磁链和转子磁链之间的转差近似成比例，通过快速对定、转子磁链之间转差的控制来实现对转矩的直接控制。异步电机直接转矩控制无论以何种方式生成逆变器PWM控制信号,都离不开这一核心思想。基本直接转矩控制方法是通过电压空间矢量开关选择表，从6个有效矢量和2个零矢量中选择一个比较合适的矢量作用于下一个控制周期，对转矩和定子磁链幅值实行滞环控制。但由于逆变器产生电压空间矢量的有限个数使得在每一个固定开关周期内只能从8个矢量中选择一个空间电压矢量，而这一个电压空间矢量往往不能使转矩和磁链同时得到最佳调节。因此，基于这一控制策略的转矩脉动和磁链脉动必然较大。
为使转矩和磁链得到合理的调节控制，PWM逆变器就必须能够生任意需要的电压空间矢量。以SVM取代传统直接转矩控制中的电压空间矢量开关选择表输出电压矢量，称为SVM-DTC算法。SVM-DTC使转矩脉动和磁链脉动减小的根本原因在于：在一个控制周期中， PWM逆变器产生期望电压矢量的幅值和相位能按系统对磁链和转矩调节的需要变化，这个矢量可按SVM算法，在不同的扇区，从变换器的8个空间电压矢量中选择合适的矢量来合成，即一个控制周期中发出多个矢量合成目标电压矢量，该目标矢量也就是SVM算法的期望电压空间矢量。
SVM-DTC从电机转矩产生的本质出发，期望电压矢量由磁链矢量偏差生成,很好地体现了直接转矩控制的思想,求得的期望电压矢量综合了转矩、磁链的控制信息。与基本直接转矩控制不同，SVM-DTC取消了固定电压空间矢量开关选择表，电压空间矢量由SVM策略发出，在一个控制周期中可发出任意幅值和任意方向的矢量,克服传统直接转矩控制策略在一个控制周期中只发出有限幅值和有限方向电压矢量而使转矩、磁链产生较大脉动的不足。
速度调节器和给定转矩角控制器
速度调节器通过对给定转速
Figure 707563DEST_PATH_IMAGE094
和反馈转速的差值进行调节输出给定电磁转矩
Figure 739553DEST_PATH_IMAGE032
，速度调节器采用比例积分控制器，利用下式实现：
Figure 467206DEST_PATH_IMAGE096
                                       (8)
 基于定子磁链和转子磁链矢量积形式的感应电动机电磁转矩可以表示为：
Figure 110677DEST_PATH_IMAGE097
                       (9)
由式(9)可知，在忽略定、转子电磁惯性的条件下，尽管假设定、转子磁链矢量幅值恒定，但是给定转矩与转矩角之间的关系也是非线性的。要想直接由给定转矩精确得到转矩角是非常复杂且难以实现。然而，一般情况下，转矩角变化范围都远远小于π/2，异步电动机转矩角范围一般在[-0.2,+0.2]之间。图5反映的是转矩角θ *与sinθ *的关系，从图可以看出，在转矩角很小的情况下，转矩角θ *与sinθ *近似线性关系。以此通过转矩可以近似求出给定转矩角：
Figure 383526DEST_PATH_IMAGE098
                             (10)
这里，为转矩系数。利用式(10)构成给定转矩角控制器。
转角磁链观测器
在两相静止参考系下，异步电动机可以用下列状态方程描述：
Figure 1382DEST_PATH_IMAGE100
                                        (11)
                                                             (12)
式中：
Figure 631526DEST_PATH_IMAGE102
；
Figure 785427DEST_PATH_IMAGE103
；
Figure 854883DEST_PATH_IMAGE104
；
Figure 145050DEST_PATH_IMAGE105
；
Figure 773084DEST_PATH_IMAGE106
；
Figure 148701DEST_PATH_IMAGE107
；
Figure 756269DEST_PATH_IMAGE108
；
Figure 166522DEST_PATH_IMAGE109
；
Figure 702808DEST_PATH_IMAGE110
；；
Figure 976980DEST_PATH_IMAGE112
 ； 
Figure 241739DEST_PATH_IMAGE113
。
估计定子磁链和转子磁链的状态观测器可以通过下列方程描述：
Figure 211576DEST_PATH_IMAGE114
                                             (13)
Figure 561786DEST_PATH_IMAGE115
                                                             (14)
上述表达式中，
Figure 511156DEST_PATH_IMAGE011
代表观测器的估计值。
Figure 630422DEST_PATH_IMAGE012
是观测器增益矩阵。
通过磁链观测可以得到定子磁链矢量的两个分量
Figure 774090DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 611596DEST_PATH_IMAGE054
和转子磁链矢量的两个分量
Figure 364657DEST_PATH_IMAGE055
、
Figure 338429DEST_PATH_IMAGE056
。
在磁链观测器的基础上可以非常简单地求出反馈转矩角
Figure 650068DEST_PATH_IMAGE018
和定子磁链矢量转角
Figure 161821DEST_PATH_IMAGE016
。计算定子磁链矢量的转角和转子磁链矢量的转角
Figure 48317DEST_PATH_IMAGE017
：
Figure 783055DEST_PATH_IMAGE057
，                                                         (15)
Figure 516524DEST_PATH_IMAGE116
，                                                         (16)
计算反馈转矩角
Figure 375503DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure 323867DEST_PATH_IMAGE117
；                                                                   (17)
期望电压空间矢量估计器
直接转矩控制中运用SVM生成变换器的驱动信号，关键在于期望电压空间矢量的计算，这个期望电压空间矢量必须包含转矩控制与磁链控制的信息。
如图6所示，磁链矢量在复平面上逆时针旋转，
Figure 478774DEST_PATH_IMAGE118
为转子磁链与横轴
Figure 512589DEST_PATH_IMAGE119
的夹角，
Figure 647029DEST_PATH_IMAGE016
为定子磁链与横轴的夹角，
Figure 41287DEST_PATH_IMAGE120
为第k拍定子磁链与转子磁链的夹角，即转矩角，代表着第k拍转矩的大小；
Figure 562398DEST_PATH_IMAGE121
为第k拍的定子磁链矢量，
Figure 497600DEST_PATH_IMAGE122
为第k+1拍的控制目标定子磁链矢量，
Figure 420557DEST_PATH_IMAGE123
为第k+1拍要求增加的定子磁链增量，这个增量由第k+1拍控制周期
Figure 917266DEST_PATH_IMAGE021
的期望电压矢量
Figure 925673DEST_PATH_IMAGE124
来完成。显然
Figure 667495DEST_PATH_IMAGE124
的径向分量代表了磁链控制的需求，
Figure 444959DEST_PATH_IMAGE124
的切向分量代表了转矩控制的需求。因此，由图可以得到第k+1拍期望电压空间矢量的计算式：
Figure 112569DEST_PATH_IMAGE125
                        (18)
为精确起见，应考虑到定子电阻压降，在两相静止坐标系中，期望电压空间矢量为：
Figure 342693DEST_PATH_IMAGE126
                                          (19)
根据
Figure 908714DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 540684DEST_PATH_IMAGE053
、、
Figure 362195DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 445820DEST_PATH_IMAGE016
计算期望电压空间矢量
Figure 932296DEST_PATH_IMAGE041
的两个分量、
Figure 412005DEST_PATH_IMAGE061
：
(1) 
Figure 30812DEST_PATH_IMAGE127
                   (20)
(2)                    (21)
电压空间矢量合成及SVM发生器
电压空间矢量估计器分别输出定子电压空间矢量的两个分量
Figure 83267DEST_PATH_IMAGE060
、，经变换合成电压空间矢量，从而可以采用SVM发生器生成逆变器的开关信号。
定子电压空间矢量的复制和相位为：
Figure 200707DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 661776DEST_PATH_IMAGE129
                                         (22)
定子电压空间矢量分量
Figure 12991DEST_PATH_IMAGE092
和
Figure 192300DEST_PATH_IMAGE093
合成定子电压空间矢量
Figure 418489DEST_PATH_IMAGE088
的向量图如图7所示。
图8为三相电压型逆变器结构图，其中
Figure 734063DEST_PATH_IMAGE130
为直流母线电压，功率器件视为理想开关。用“1”表示上桥臂导通，下桥臂关断；用“0”表示下桥臂导通，上桥臂关断。三相的开关控制信号分别为
Figure 521760DEST_PATH_IMAGE131
，相应的取值分别为1或者0；
Figure 922785DEST_PATH_IMAGE132
是
Figure 955594DEST_PATH_IMAGE131
的反信号。例如，如果
Figure 391255DEST_PATH_IMAGE133
，那么
Figure 84273DEST_PATH_IMAGE134
；如果
Figure 238174DEST_PATH_IMAGE135
，那么
Figure 743848DEST_PATH_IMAGE136
。利用( SA，SB，SC)表示逆变器生成的电压空间矢量，由
Figure 897935DEST_PATH_IMAGE131
取值组合可以得到逆变器输出的8个基本电压矢量：
Figure 24285DEST_PATH_IMAGE077
(000)，
Figure 648165DEST_PATH_IMAGE073
(001)，
Figure 42106DEST_PATH_IMAGE028
(010)，
Figure 155555DEST_PATH_IMAGE071
(011)， (100)，
Figure 865946DEST_PATH_IMAGE075
(101)，
Figure 379973DEST_PATH_IMAGE068
(110)，
Figure 602007DEST_PATH_IMAGE078
(111)。其中
Figure 437370DEST_PATH_IMAGE077
和
Figure 403052DEST_PATH_IMAGE078
的幅值为0，成为零矢量。采用SVM方式生成电压空间矢量的原理图如图9所示，从图中可以看出，期望电压空间矢量在任意时刻都会落在由六个基本电压空间矢量划分的六个区间之一。表2显示了根据
Figure 164520DEST_PATH_IMAGE065
选择相邻基本电压空间矢量。
Figure 749829DEST_PATH_IMAGE138
 表2  根据定子电压空间矢量转角确定相邻基本电压空间矢量
在设定的SVM控制周期
Figure 440573DEST_PATH_IMAGE021
内，通过两个相邻基本电压空间矢量和零矢量的合成就可以表示出期望电压空间矢量。期望电压空间矢量在区间N内，采用由下式计算定子电压矢量相邻的基本电压矢量(主、副电压矢量)和零矢量
Figure 414345DEST_PATH_IMAGE077
、
Figure 728914DEST_PATH_IMAGE078
的作用时间：
Figure 788137DEST_PATH_IMAGE079
，
Figure 344889DEST_PATH_IMAGE080
Figure 438747DEST_PATH_IMAGE082
，
Figure 921288DEST_PATH_IMAGE084
，
Figure 467807DEST_PATH_IMAGE087
；                                       (23)
逆变器产生的基本电压矢量(主、副电压矢量)和零矢量所对应的三相开关信号分别是
Figure 562671DEST_PATH_IMAGE088
( SA，SB，SC)：
Figure 511035DEST_PATH_IMAGE077
(000)，
Figure 167407DEST_PATH_IMAGE067
(100)，
Figure 201222DEST_PATH_IMAGE068
(110)， (010)，
Figure 853712DEST_PATH_IMAGE071
(011)，
Figure 930253DEST_PATH_IMAGE073
(001)，
Figure 435052DEST_PATH_IMAGE075
(101)，
Figure 888031DEST_PATH_IMAGE078
(111)；
在一个SVM控制周期
Figure 561720DEST_PATH_IMAGE021
内定子电压矢量相邻的基本电压矢量(主、副电压矢量)和零矢量的作用顺序如下(以1区间为例)：
Figure 809161DEST_PATH_IMAGE077
→
Figure 801257DEST_PATH_IMAGE067
→→
Figure 341050DEST_PATH_IMAGE078
→→
Figure 504364DEST_PATH_IMAGE067
→
Figure 33566DEST_PATH_IMAGE077
，作用时间分别(以1区间为例)：
Figure 681847DEST_PATH_IMAGE077
作用
Figure 271091DEST_PATH_IMAGE089
，
Figure 237779DEST_PATH_IMAGE067
作用
Figure 570671DEST_PATH_IMAGE090
，作用
Figure 17626DEST_PATH_IMAGE091
，
Figure 222342DEST_PATH_IMAGE078
作用
Figure 109658DEST_PATH_IMAGE086
，
Figure 716220DEST_PATH_IMAGE068
作用
Figure 896534DEST_PATH_IMAGE091
，
Figure 274032DEST_PATH_IMAGE067
作用
Figure 214307DEST_PATH_IMAGE090
，
Figure 924643DEST_PATH_IMAGE077
作用
Figure 26591DEST_PATH_IMAGE089
。 根据基本电压矢量与逆变器三相开关信号SA，SB，SC之间的对应关系，得出逆变器的开关控制信号SA，SB，SC，从而驱动感应电动机，以控制感应电动机的转矩。
为验证本发明方法，采用MATLAB2009a进行仿真验证。仿真中使用感应电机参数如表3。经速度调节器参数整定后，
Figure 268216DEST_PATH_IMAGE139
，
Figure 497334DEST_PATH_IMAGE140
。图10为定子磁链矢量的顶点轨迹响应曲线，图11为定子电流响应曲线，图12为转矩响应曲线，图13为转速响应曲线。
本发明与传统直接转矩控制相比，省略了磁链和转矩控制的两个滞环比较器，实现了转矩和磁链的定量控制，使得转矩和磁链脉动减小，同时使得逆变器开关周期恒定，更易于数字化实现。与一般空间矢量调制直接转矩控制相比，本发明方法在忽略定、转子电磁惯性的条件下，利用电磁转矩与转矩角
Figure 538289DEST_PATH_IMAGE018
的近似线性关系，只需一个简单的差值控制器，而不需要设计参数的PI调节器)就可以计算出期望定子电压矢量，以空间矢量调制(SVM)的方式发出电压逆变器的开关信号，实现感应电动机的转矩控制，省略磁链和转矩控制的两个调节器，使得控制系统结构简单，降低了控制系统调节器参数设计的难度。
项目                   参数值 项目                  参数值
额定电压/v                460 定子电阻Rs/ohm       0.087
额定功率/kW              37.3 转子电阻Rr/ohm       0.228
同步转速/（r/min）        1800 定子电感Ls/ohm       0.0355
极对数/P                    2 转子电感Lr/ohm       0.0355
转动惯量J/(kg.m2)        1.662 定转子互感Lm/ohm     0.0347
定子磁链幅值            0.98Wb 转子磁链幅值          0.96Wb
表3 感应电动机参数

Claims (3)

1.一种感应电动机直接转矩控制的控制装置，包括：速度调节器PI、给定转矩角控制器、空间矢量调制发生器SVM、逆变器，其特征在于：还包括：差值控制器、转角磁链观测器、电压空间矢量估计器；所述差值控制器的第一输入端与输出给定转矩
Figure FDA00002904265400011
电信号的速度调节器PI电连接的给定转矩角控制器相连，差值控制器的第二输入端与连接电机输入端的两个坐标变换器电连接的转角磁链观测器的第一路输出端相连；所述将给定转矩角控制器转换的给定转矩角θ*电信号和转角磁链观测器转换的反馈转矩角θ电信号转换成转矩角差△θ电信号的差值控制器通过电压空间矢量估计器、空间矢量调制发生器SVM与逆变器相连；所述电压空间矢量估计器与输出期望磁链矢量
Figure FDA00002904265400012
的期望定子磁链控制器输出端相连，电压空间矢量估计器与转角磁链观测器的第二路输出端相连，所述输出电压空间矢量
Figure FDA00002904265400013
的电压空间矢量估计器通过电压空间矢量调制发生器SVM、逆变器与感应电动机相连。
2.根据权利要求1所述的一种感应电动机直接转矩控制的控制装置，其特征在于：差值控制器就是利用给定转矩角控制器输出的给定转矩角θ*和转角磁链观测器输出的反馈转矩角θ相减从而产生转矩角差△θ的一种控制器。
3.根据权利要求1所述的一种感应电动机直接转矩控制的控制装置，其特征在于：转角磁链观测器就是利用由电压电流坐标变换器输出的电压、电流电信号通过磁链计算公式和转角计算公式产生定子磁链矢量ψs、定子电流矢量is、定子磁链矢量转角θs信号的一种观测器。
CN2011103242884A 2011-10-24 2011-10-24 一种感应电动机直接转矩控制的方法及控制装置 Expired - Fee Related CN102364871B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2011103242884A CN102364871B (zh) 2011-10-24 2011-10-24 一种感应电动机直接转矩控制的方法及控制装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2011103242884A CN102364871B (zh) 2011-10-24 2011-10-24 一种感应电动机直接转矩控制的方法及控制装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102364871A CN102364871A (zh) 2012-02-29
CN102364871B true CN102364871B (zh) 2013-06-05

Family

ID=45691425

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2011103242884A Expired - Fee Related CN102364871B (zh) 2011-10-24 2011-10-24 一种感应电动机直接转矩控制的方法及控制装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102364871B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102638216B (zh) * 2012-04-01 2014-07-16 杭州洲钜电子科技有限公司 无位置传感器电机启动方法
AT511134B1 (de) * 2012-05-24 2013-12-15 Voith Turbo Kg Verfahren zur Regelung des Drehmoments einer Asynchronmaschine
CN105356810B (zh) * 2015-10-26 2018-01-02 合肥工业大学 改进的永磁同步发电机模型预测直接转矩控制方法
CN106788042B (zh) * 2017-01-18 2019-03-05 南京理工大学 一种降低电机转矩脉动的直接转矩控制系统及方法
CN106953575B (zh) * 2017-03-14 2019-05-10 中南大学 一种迭代学习的直接转矩控制方法与装置
CN110611463A (zh) * 2019-07-18 2019-12-24 江苏理工学院 一种永磁同步电主轴的调速系统及其控制方法
CN110417316B (zh) * 2019-07-19 2021-06-15 南京航空航天大学 一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1194464C (zh) * 2002-11-15 2005-03-23 清华大学 空间矢量调制的感应电动机变结构转矩直接控制方法
DE102006052042A1 (de) * 2006-10-30 2008-05-15 Bombardier Transportation Gmbh Steuerung und/oder Regelung eines 3-Phasen-Stromrichters für den Betrieb einer Asynchronmaschine
CN101286724B (zh) * 2007-11-16 2010-05-19 西北工业大学 一种永磁同步电机直接转矩控制方法
CN100557942C (zh) * 2008-05-06 2009-11-04 南京航空航天大学 基于转差线性控制的异步电机调速方法
CN101771380B (zh) * 2010-02-11 2013-09-25 哈尔滨工业大学（威海） 直接转矩控制的变频器空间矢量调制方法
CN201937536U (zh) * 2011-01-10 2011-08-17 武汉市菱电汽车电子有限责任公司 一种三相感应电动机单调节回路间接转矩控制装置
CN102195547B (zh) * 2011-05-25 2012-09-26 太原理工大学 一种用于笼型转子无刷双馈电机的间接转矩控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102364871A (zh) 2012-02-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102364871B (zh) 一种感应电动机直接转矩控制的方法及控制装置
Subotic et al. Integration of six-phase EV drivetrains into battery charging process with direct grid connection
BonnetFrancois et al. Dual direct torque control of doubly fed induction machine
JP5357232B2 (ja) 同期機制御装置
CN103731084A (zh) 永磁同步电机低逆变器功耗直接转矩控制方法及装置
CN103066876B (zh) 一种具有同步发电机特性的逆变控制器
CN101931362A (zh) 一种永磁同步电机的直接转矩控制装置及控制方法
CN102025313B (zh) 基于反电势前馈控制的矢量控制方法
CN109194218B (zh) 直流偏置型混合励磁电机的控制装置、控制方法及系统
CN102868352A (zh) 具有转子电阻鲁棒性的感应电机矢量控制系统及方法
CN105391360A (zh) 电热约束下电动汽车的最优效率控制方法、控制器及系统
CN108448971B (zh) 一种无刷双馈发电机的控制系统及模型预测电流控制方法
CN102148603A (zh) 双馈发电机转子初始位置零位偏差的辨识方法及控制装置
US20110320051A1 (en) System and method for non-sinusoidal current waveform excitation of electrical generators
CN202111662U (zh) 一种电机变频调速系统
Chikh et al. A novel drive implementation for pmsm by using direct torque control with space vector modulation
CN109600088B (zh) 一种三相逆变器的谐波电流注入装置及方法
Won et al. Improved FOC of IPMSM using finite-state model predictive current control for EV
WO2015137035A1 (ja) インバータ制御装置
CN102857169A (zh) 基于无速度传感器的单逆变器对双感应电动机的控制方法
CN104935233B (zh) 永磁直驱风力发电机电磁扭矩控制方法及装置
CN202931248U (zh) 具有转子电阻鲁棒性的感应电机矢量控制系统
Niwa et al. A study of rotor position control for switched reluctance motor
Fabianski Optimal control of switched reluctance motor drive with use of simplified, nonlinear reference model
Achari et al. A novel Matlab/Simulink model of PMSM drive using direct torque control with SVM

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130605

Termination date: 20131024