CN103944459A - 一种适用于多电机系统的直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多电机系统的直接转矩控制方法，首先建立多电机系统转矩、磁链评价函数；对评价函数的离散化、平均化处理，获得转矩、磁链影响因子表；然后通过多电机系统偏差耦合控制器产生单台电机的转矩参考值；最后计算转矩影响因子参考值p_τ ^*和磁链影响因子参考值p_λ ^*，并建立目标函数，根据转矩、磁链影响因子表，选择使目标函数值最小逆变器电压矢量，用于控制多电机系统；本发明可实现多电机系统快速转矩响应，同时降低稳态运行中的转矩波动；本发明建立的转矩、磁链影响因子表，可全面、直接、精细的反应出不同逆变器电压矢量在不同占空比作用下对多电机系统电磁转矩和电机定子磁链幅值的影响程度。

Description

一种适用于多电机系统的直接转矩控制方法

技术领域

本发明属于驱动电机的功率变换器控制领域，具体涉及采用直接转矩控制的多电机调速系统的性能改善方法。

背景技术

在造纸、纺织、印染、轧钢等高精度和高转速的传动系统中，多电机同步控制一直是核心的问题。多电机同步包括各台电机具有相同的速度；多台电机的转速保持某一固定比例，如同步轧机、造纸机、纺织染整机械等；多台电机输出轴的转角或位移按要求保持恒定的差值，如精密数控加工设备、纤维缠绕编织设备、机器人控制等。同步控制的目的是使跟踪误差和同步误差趋于零。同步控制算法直接影响系统的可靠性、产品的质量和市场销售。实际应用中，由于各传动轴的驱动特性不匹配、负载的扰动、电机参数的摄动等因素，多电机的同步性能会因此会变差、恶化，从而降低系统的精度和可靠性。因此，研究多电机同步控制具有非常重要的现实意义。

直接转矩控制于1986年提出，早期用于控制由电压型逆变器馈电的感应电机调速系统。直接转矩控制采用滞环比较器和开关表的控制结构，具有结构简单、不依赖电机参数及无需旋转坐标变换等优势，但却存在转矩波动较大的问题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种适用于多电机系统的直接转矩控制方法；本发明利用偏差耦合控制方式，实现多电机系统同步控制；通过建立转矩、磁链影响因子表，实现单台电机快速转矩响应及转矩波动抑制。

为了解决上述技术问题，本发明一种适用于多电机系统的直接转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤一、通过多电机系统偏差耦合控制器产生单台电机的控制参考信号：

将多电机系统的某一台电机的速度反馈值同所述多电机系统内其它电机的速度反馈值分别做差，然后将所得到的偏差乘以相应增益，最后将所得结果相加得偏差补偿信号；将偏差补偿信号、该台电机的速度参考值及该台电机速度反馈值求和，从而得到单台电机的控制参考信号；

步骤2-1、建立多电机系统转矩评价函数、磁链评价函数；

建立空间旋转坐标系x-y，且将电机定子磁链Ψ_s定位在x轴上；定义转矩评价函数τ、磁链评价函数λ、反电势评价函数e分别如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{V_y}{2/3V_{\mathrm{dc}}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{V_x}{2/3V_{\mathrm{dc}}}---\left(2\right)$

$e=\frac{{\mathrm{\ω}}_r\left|{\mathrm{\Ψ}}_s\right|}{2/3V_{\mathrm{dc}}}---\left(3\right)$

式（1）、式（2）和式（3）中，V_x和V_y分别表示电机定子电压的x轴和y轴分量；ω_r表示电机转子电角速度；|Ψ_s|表示电机定子磁链幅值；V_dc表示变流器直流侧电压值；

步骤2-2、对多电机系统磁链评价函数进行离散化、平均化处理，建立多电机系统转矩、磁链影响因子表；

转矩影响因子p_τ和磁链影响因子p_λ计算公式分别为：

$p_{\mathrm{\τ}}=\mathrm{round}[\frac{k}{\mathrm{\π}/6}{\∫}_{\frac{\mathrm{\π}}{6}(l_{\mathrm{\θ}}-1)}^{\frac{\mathrm{\π}}{6}{l}_{\mathrm{\θ}}}m\·\mathrm{\τd}{\mathrm{\θ}}_s]---\left(4\right)$

$p_{\mathrm{\λ}}=\mathrm{round}[\frac{k}{\mathrm{\π}/6}{\∫}_{\frac{\mathrm{\π}}{6}(l_{\mathrm{\θ}}-1)}^{\frac{\mathrm{\π}}{6}{l}_{\mathrm{\θ}}}m\·\mathrm{\λd}{\mathrm{\θ}}_s]---\left(5\right)$

式（4）和式（5）中，θ_s表示电机定子磁链矢量角；m表示离散化的占空比，且有m∈{-1,-5/6,-4/6,-3/6,-2/6,-1/6,1/6,2/6,3/6,4/6,5/6,1}；l_θ表示电机定子磁链扇区号，且有l_θ∈{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}；round[]表示就近取整函数，其中，k=10.7，转矩影响因子p_τ和磁链影响因子p_λ为介于-9到+9之间的整数；

计算电机系统全部转矩影响因子p_τ和磁链影响因子p_λ，汇总后得到多电机系统转矩、磁链影响因子表；

步骤2-3、建立目标函数，筛选最优开关组合及其占空比，用于控制电机；

首先，分别计算转矩影响因子参考值p_τ ^*和磁链影响因子参考值p_λ ^*，公式如下：

$p_{\mathrm{\τ}}^{*}=(T_e^{*}-T_e)/K_T+p_e---\left(6\right)$

$p_{\mathrm{\λ}}^{*}=({\left|{\mathrm{\Ψ}}_s\right|}^{*}-|{\mathrm{\Ψ}}_s\left|\right)/K_{\mathrm{\ψ}}---\left(7\right)$

式（6）和式（7）中，T_e ^*和|Ψ_s|^*分别为电磁转矩参考值和电机定子磁链幅值参考值；K_T和K_Ψ分别为电磁转矩控制参数和电机定子磁链幅值控制参数；

其次，从步骤2-2得到的多电机系统转矩、磁链影响因子表中查询所有逆变器电压矢量对应的转矩影响因子p_τ和磁链影响因子p_λ的数值；

最后，建立目标函数，并选择使目标函数值最小的逆变器电压矢量，用于控制多电机系统；目标函数如下：

$f={\mathrm{\ϵ}}_T|p_{\mathrm{\τ}}^{*}-p_{\mathrm{\τ}}|+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ψ}}|p_{\mathrm{\λ}}^{*}-p_{\mathrm{\λ}}|---\left(8\right)$

式（8）中，ε_T为电磁转矩权重系数，ε_Ψ为电机定子磁链幅值权重系数，ε_T和ε_Ψ之间的相对取值大小决定了电机电磁转矩和电机定子磁链幅值之间的权重关系；权重值相对越大，该项在系统控制中的重要程度越高；权重值为零的表达式，在系统控制中忽略该项。

本发明的有益效果在于：本发明可实现多电机系统快速转矩响应，同时降低稳态运行中的转矩波动；本发明建立的转矩、磁链影响因子表，可全面、直接、精细的反应出不同逆变器电压矢量在不同占空比作用下对多电机系统电磁转矩和电机定子磁链幅值的影响程度。本发明通过将直接转矩控制方法进行改进，并嵌入多电机控制系统，在实现多电机同步控制基础上，获得快速转矩响应，在稳态中保持较低转矩波动，控制方式简单易行。

附图说明

图1-1是本发明中多电机系统直接转矩控制策略示意图；

图1-2是图1-1中所示第n个电机补偿器的速度补偿模块的结构框图；

图1-3是图1-1中所示第n个电机控制器控制电机系统运行的步骤示意图；

图2是本发明中建立的多电机系统转矩、磁链影响因子表。

具体实施方式

本发明适用于由多电机协同控制系统。下面结合具体的实例和附图对本发明做进一步详述。图1-1是本发明中多电机系统直接转矩控制策略示意图。本发明适用于多电机系统的直接转矩控制方法包括以下步骤：

步骤一、通过多电机系统偏差耦合控制器产生单台电机的控制参考信号：

在多电机（电机数目n大于或等于3）速度同步控制系统中，偏差耦合控制方式结构图如图1-1所示。图1-1中，每台电机每个时刻的实际转速与给定转速全部送入复用器MUX，并利用分路器DEMUX分离出每一台电机单独的给定转速以及包括本电机的各台电机的实际转速，且将这些实际转速信息送入补偿器，结合相应的控制算法去控制电机。

偏差耦合控制方式的主要思想是将某一台电机的速度反馈同除本电机以外的其它电机的速度反馈分别作差，然后，将得到的各个偏差乘以相应的增益后再相加，得到本电机的速度补偿量。所以，速度补偿模块是偏差耦合控制方式重要的组成部分，它考虑多电机系统中各个电机之间的信息交流，给每台电机提供速度补偿信号，将每台电机在过渡周期和转矩扰动时的相对速度归零，能达到比较好的同步效果。以图1-1中的第n台电机为例，速度补偿模块的结构框图如图1-2中虚线框内所示。

图1-2中，ω₁是电机1的实际转速，同理，ω_n是电机n的实际转速。将ω₁与电机2的实际转速ω₂作差，并将偏差乘以增益K₁₂，将ω₁与电机3的实际转速ω₃作差，并将偏差乘以增益K₁₃，以此类推，电机1的实际转速ω₁与电机n的实际转速ω_n作差，并将偏差乘以增益K_1n然后将各个乘以增益的偏差量相加，得到电机1的速度补偿信号e₁。图1-2中的增益公式如下:

$K_{1r}=\frac{J_r}{J_1}$

即电机1与电机r之间的速度偏差增益量K_1r是由同时刻的电机1的转动惯量去除电机r的转动惯量得到。实际上，乘以增益也是用来补偿各个电机之间的转动惯量的不同。

步骤二、根据步骤一中的单台电机的控制参考信号，选择最优逆变器电压矢量，控制电机系统运行。图1-3为实现步骤二的示意图，其中，包括以下步骤：

步骤2-1、建立多电机系统转矩评价函数、磁链评价函数；

建立空间旋转坐标系x-y，且将定子磁链Ψ_s定位在x轴上，则永磁同步电机电磁转矩及定子磁链幅值与定子电压存在如下关系：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left|{\mathrm{\Ψ}}_s\right|=v_x---\left(1\right)$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{T}_e\∝v_y-{\mathrm{\ω}}_r\left|{\mathrm{\Ψ}}_s\right|---\left(2\right)$

式（1）和式（2）中，v_x、v_y分别表示定子电压的x-y轴分量；ω_r为电机转子电角速度；|Ψ_s|为定子磁链幅值；T_e为电磁转矩；t为时间。定义转矩评价函数τ、磁链评价函数λ、反电势评价函数e如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{V_y}{2/3V_{\mathrm{dc}}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{V_x}{2/3V_{\mathrm{dc}}}---\left(4\right)$

$e=\frac{{\mathrm{\ω}}_r\left|{\mathrm{\Ψ}}_s\right|}{2/3V_{\mathrm{dc}}}---\left(3\right)$

式（3）、式（4）和式（5）中，V_x、V_y分别表示逆变器任意空间电压矢量在x轴及y轴的投影；V_dc表示逆变器直流侧电压；在电机系统中存在V_x=v_x、V_y=v_y，将式（3）、式（4）和式（5）代入式（1）和式（2）得转矩评价函数τ、磁链评价函数λ、反电势评价函数e与电磁转矩变化率及定子磁链幅值变化率函数关系式近似为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{T}_e\∝\mathrm{\τ}-e---\left(6\right)$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left|{\mathrm{\Ψ}}_s\right|\∝\mathrm{\λ}---\left(7\right)$

由式（6）和式（7）得出：电机系统中的两个被控量：电磁转矩T_e和定子磁链幅值|Ψ_s|分别近似正比于转矩评价函数τ和磁链评价函数λ；

电压型逆变器共存在8种开关状态，其中2种开关状态产生电压矢量幅值为0，称为零矢量，用V₀和V₇表示；另外6种开关状态产生非零电压矢量，其中3种非零电压矢量的方向和电机A、B、C三相定子绕组轴线方向一致，分别用V_A、V_B和V_C表示，另外3种非零电压矢量的方向和电机A、B、C三相定子绕组轴线方向相反，分别用V_-A、V_-B和V_-C表示。

将电压型逆变器8种开关状态对应的电压矢量分别代入式（3）和式（4），可得如下表所示的全部转矩、磁链评价函数：

电压矢量	转矩评价函数τ	磁链评价函数λ
			vA	sin(-θs)	cos(-θs)
v-A	-sin(-θs)	-cos(-θs)
			vB	sin(2π/3-θs)	cos(2π/3-θs)
v-B	-sin(2π/3-θs)	-cos(2π/3-θs)
			vC	sin(-2π/3-θs)	cos(-2π/3-θs)
v-C	-sin(-2π/3-θs)	-cos(-2π/3-θs)
			V0和V7	0	0

上表中，θ_s表示电机定子磁链相角。

步骤2-2、对多电机系统磁链评价函数进行离散化、平均化处理，建立多电机系统转矩、磁链影响因子表；

对步骤一中的转矩评价函数τ和磁链评价函数λ进行离散化、平均化处理，由此定义转矩影响因子p_τ和磁链影响因子p_λ如下：

$p_{\mathrm{\τ}}=\mathrm{round}[\frac{k}{\mathrm{\π}/6}{\∫}_{\frac{\mathrm{\π}}{6}(l_{\mathrm{\θ}}-1)}^{\frac{\mathrm{\π}}{6}{l}_{\mathrm{\θ}}}m\·\mathrm{\τd}{\mathrm{\θ}}_s]---\left(8\right)$

$p_{\mathrm{\λ}}=\mathrm{round}[\frac{k}{\mathrm{\π}/6}{\∫}_{\frac{\mathrm{\π}}{6}(l_{\mathrm{\θ}}-1)}^{\frac{\mathrm{\π}}{6}{l}_{\mathrm{\θ}}}m\·\mathrm{\λd}{\mathrm{\θ}}_s]---\left(9\right)$

式（8）和式（9）中，θ_s表示电机定子磁链矢量角；m表示离散化的占空比，且有m∈{-1,-5/6,-4/6,-3/6,-2/6,-1/6,1/6,2/6,3/6,4/6,5/6,1}；l_θ表示电机定子磁链扇区号，且有l_θ∈{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}；round[]表示就近取整函数；这里取系数k=10.7，则转矩影响因子p_τ和磁链影响因子p_λ为介于-9到+9之间的整数；

由式（6）、式（7）、式（8）和式（9）得转矩影响因子p_τ、磁链影响因子p_λ与电磁转矩T_e、定子磁链幅值|Ψ_s|之间的关系为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{T}_e\≈\mathrm{avg}\left(\frac{d}{\mathrm{dt}}{T}_e\right)\∝p_{\mathrm{\τ}}-p_e---\left(10\right)$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left|{\mathrm{\Ψ}}_s\right|\≈\mathrm{avg}\left(\frac{d}{\mathrm{dt}}\right|{\mathrm{\Ψ}}_s\left|\right)\∝p_{\mathrm{\λ}}---\left(11\right)$

式（10）和式（11）中，avg()表示平均值；p_e为反电势影响因子，表示为：

p_e=round(10e)    （12）

由式（10）和式（11）得出，经离散平均化后的转矩影响因子p_τ近似与电磁转矩变化率成正比，磁链影响因子p_λ近似与定子磁链幅值变化率成正比。

将步骤2-1表格中的各个电压矢量的转矩评价函数τ和磁链评价函数λ分别代入式（8）和式（9）计算，可得电机系统全部转矩影响因子p_τ和磁链影响因子p_λ，汇总后可得多电机系统转矩、磁链影响因子表，如图2所示。图2中，m为开关组合对应的占空比，l_θ为定子磁链扇区，上表头区可用于查询磁链影响因子p_λ，下表头区可用于查询转矩影响因子p_τ。

步骤2-3、建立目标函数，筛选最优开关组合及其占空比，用于控制电机；

首先，计算转矩影响因子参考值p_τ ^*和磁链影响因子参考值p_λ ^*，公式如下：

$p_{\mathrm{\τ}}^{*}=(T_e^{*}-T_e)/K_T+p_e---\left(13\right)$

$p_{\mathrm{\λ}}^{*}=({\left|{\mathrm{\Ψ}}_s\right|}^{*}-|{\mathrm{\Ψ}}_s\left|\right)/K_{\mathrm{\ψ}}---\left(14\right)$

式（13）和式（14）中，T_e ^*和|Ψ_s|^*为电磁转矩参考值和定子磁链幅值参考值；K_T和K_Ψ分别为电磁转矩控制参数和定子磁链幅值控制参数；

其次，从转矩、磁链影响因子表中查询所有逆变器电压矢量对应的转矩影响因子p_τ和磁链影响因子p_λ的数值；

最后，建立目标函数，并选择使目标函数值最小的逆变器电压矢量，用于控制多电机系统；目标函数如下：

$f={\mathrm{\ϵ}}_T|p_{\mathrm{\τ}}^{*}-p_{\mathrm{\τ}}|+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ψ}}|p_{\mathrm{\λ}}^{*}-p_{\mathrm{\λ}}|---\left(15\right)$

式（15）中，ε_T为电磁转矩权重系数，ε_Ψ为定子磁链幅值权重系数，ε_T和ε_Ψ之间的相对取值大小决定了电机电磁转矩和定子磁链幅值之间的权重关系；权重值相对越大，该项在系统控制中的重要程度越高；权重值为零的表达式，在系统控制中忽略该项。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种适用于多电机系统的直接转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤一、通过多电机系统偏差耦合控制器产生单台电机的控制参考信号：

将多电机系统的某一台电机的速度反馈值同所述多电机系统内其它电机的速度反馈值分别做差，然后将所得到的偏差乘以相应增益，最后将所得结果相加得偏差补偿信号；将偏差补偿信号、该台电机的速度参考值及该台电机速度反馈值求和，从而得到单台电机的控制参考信号；

步骤二、根据步骤一得到的单台电机的控制参考信号，选择最优逆变器电压矢量，控制电机系统运行；包括以下步骤：

步骤2-1、建立多电机系统转矩评价函数、磁链评价函数；

建立空间旋转坐标系x-y，且将电机定子磁链Ψ_s定位在x轴上；定义转矩评价函数τ、磁链评价函数λ、反电势评价函数e分别如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{V_y}{2/3V_{\mathrm{dc}}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{V_x}{2/3V_{\mathrm{dc}}}---\left(2\right)$

$e=\frac{{\mathrm{\ω}}_r\left|{\mathrm{\Ψ}}_s\right|}{2/3V_{\mathrm{dc}}}---\left(3\right)$

式（1）、式（2）和式（3）中，V_x和V_y分别表示电机定子电压的x轴和y轴分量；ω_r表示电机转子电角速度；|Ψ_s|表示电机定子磁链幅值；V_dc表示变流器直流侧电压值；

步骤2-2、对多电机系统磁链评价函数进行离散化、平均化处理，建立多电机系统转矩、磁链影响因子表；

转矩影响因子p_τ和磁链影响因子p_λ计算公式分别为：

$p_{\mathrm{\τ}}=\mathrm{round}[\frac{k}{\mathrm{\π}/6}{\∫}_{\frac{\mathrm{\π}}{6}(l_{\mathrm{\θ}}-1)}^{\frac{\mathrm{\π}}{6}{l}_{\mathrm{\θ}}}m\·\mathrm{\τd}{\mathrm{\θ}}_s]---\left(4\right)$

$p_{\mathrm{\λ}}=\mathrm{round}[\frac{k}{\mathrm{\π}/6}{\∫}_{\frac{\mathrm{\π}}{6}(l_{\mathrm{\θ}}-1)}^{\frac{\mathrm{\π}}{6}{l}_{\mathrm{\θ}}}m\·\mathrm{\λd}{\mathrm{\θ}}_s]---\left(5\right)$

式（4）和式（5）中，θ_s表示电机定子磁链矢量角；m表示离散化的占空比，且有m∈{-1,-5/6,-4/6,-3/6,-2/6,-1/6,1/6,2/6,3/6,4/6,5/6,1}；l_θ表示电机定子磁链扇区号，且有l_θ∈{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}；round[]表示就近取整函数，其中，k=10.7，转矩影响因子p_τ和磁链影响因子p_λ为介于-9到+9之间的整数；

计算电机系统全部转矩影响因子p_τ和磁链影响因子p_λ，汇总后得到多电机系统转矩、磁链影响因子表；

步骤2-3、建立目标函数，筛选最优开关组合及其占空比，用于控制电机；

首先，分别计算转矩影响因子参考值p_τ ^*和磁链影响因子参考值p_λ ^*，公式如下：

$p_{\mathrm{\τ}}^{*}=(T_e^{*}-T_e)/K_T+p_e---\left(6\right)$

$p_{\mathrm{\λ}}^{*}=({\left|{\mathrm{\Ψ}}_s\right|}^{*}-|{\mathrm{\Ψ}}_s\left|\right)/K_{\mathrm{\ψ}}---\left(7\right)$

式（6）和式（7）中，T_e ^*和|Ψ_s|^*分别为电磁转矩参考值和电机定子磁链幅值参考值；K_T和K_Ψ分别为电磁转矩控制参数和电机定子磁链幅值控制参数；

其次，从步骤2-2得到的多电机系统转矩、磁链影响因子表中查询所有逆变器电压矢量对应的转矩影响因子p_τ和磁链影响因子p_λ的数值；

最后，建立目标函数，并选择使目标函数值最小的逆变器电压矢量，用于控制多电机系统；目标函数如下：

$f={\mathrm{\ϵ}}_T|p_{\mathrm{\τ}}^{*}-p_{\mathrm{\τ}}|+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ψ}}|p_{\mathrm{\λ}}^{*}-p_{\mathrm{\λ}}|---\left(8\right)$

式（8）中，ε_T为电磁转矩权重系数，ε_Ψ为电机定子磁链幅值权重系数，ε_T和ε_Ψ之间的相对取值大小决定了电机电磁转矩和电机定子磁链幅值之间的权重关系；权重值相对越大，该项在系统控制中的重要程度越高；权重值为零的表达式，在系统控制中忽略该项。