CN103973192B - 一种六相异步电机dtc系统的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六相异步电机DTC系统的优化方法，所述DTC系统包括中间电压矢量选择单元、基本电压矢量作用时间计算单元、速度调节器、转矩观测器、磁链观测器、转矩滞环比较器、磁链滞环比较器、电压6s/2s单元、电流6s/2s单元、扇区判断单元、空间矢量调制发生器以及测速编码器；本发明与传统DTC系统相比以中间电压矢量作为所选电压矢量并且在每个开关周期中将零矢量平均分配，改善了电机定子电流谐波和简化了矢量选择；由本周期的转矩差值等变量计算出中间电压矢量在下一个开关周期中的作用时间占空比，并且进一步计算出基本电压矢量开始作用的时刻，来对转矩差值进行补偿，降低了电机的转矩脉动，并且固定了开关频率。

Description

一种六相异步电机DTC系统的优化方法

技术领域

本发明涉及异步电机控制领域，具体涉及一种六相异步电机DTC系统的优化方法。

背景技术

近年来，在船舶推进等要求低电压、大电流、高可靠性传动的场合，多相电机调速系统的应用日趋广泛。相对于三相系统，多相系统可靠性高，能够缺相运行，转矩脉动小，系统动、静态特性好，并且可实现低压大功率。因此，六相异步电机调速系统作为一种典型的多相调速系统，具有广阔的应用前景。直接转矩控制（DTC）技术是继矢量控制后发展起来的又一种高性能交流电机调速控制方法。DTC技术避免了复杂的解耦计算，不存在电流环，利用简单的Band-Band滞环比较器就能完成对转矩与磁链的控制，系统PI调节器的数量也减少到转速环上的一个调节器。但是这种非线性的调制方式，带来了开关频率不恒定的弊端。并且，由于单一电压矢量的作用时间占据了一个完整的开关周期，而器件的开关频率有限，这会引起电磁转矩的超调，从而导致电机的转矩脉动较大。针对上述问题，常用的解决方案是采用两个PI控制器分别取代转矩和磁链滞环比较器，同时采用空间矢量脉宽调制技术合成参考电压矢量。但是，PI控制器的加入使得DTC系统丧失了相较于矢量控制系统结构简单、鲁棒性好的优势。

如图1所示，李永东编写的《交流电机数字控制系统》现有技术六相异步电机DTC系统包括：基本电压矢量选择单元、速度调节器、转矩观测器、磁链观测器、转矩滞环比较器、磁链滞环比较器、电压6s/2s单元、电流6s/2s单元、扇区判断单元、空间矢量调制发生器以及测速编码器，转矩、磁链差值以及扇区号作为输入信号输入基本电压矢量选择单元，基本电压矢量选择单元输出电压矢量的序号k，电压矢量的序号k作为输入信号输入空间矢量调制发生器，空间矢量调制发生器再将输出信号输给逆变器，以此来控制六相异步电机。但是该DTC系统存在电机转矩脉动与定子谐波电流较大的问题，电机转矩脉动较大会影响电机调速性能，附加损耗、机械振动和发热是谐波对电机的主要影响，这些影响会缩短电机的寿命，甚至会损坏电机。

发明内容

一种六相异步电机DTC系统的优化方法，所述DTC系统包括中间电压矢量选择单元、基本电压矢量作用时间计算单元、速度调节器、转矩观测器、磁链观测器、转矩滞环比较器、磁链滞环比较器、电压6s/2s单元、电流6s/2s单元、扇区判断单元、空间矢量调制发生器以及测速编码器；

所述转矩滞环比较器与磁链滞环比较器输出值以及所述扇区判断单元输出的输出值输入所述中间电压矢量选择单元；

所述基本电压矢量作用时间计算单元是将中间电压矢量选择单元输出值、速度调节器输出值与转矩观测器差值、IGBT开关周期T_s、逆变器直流侧电压U_dc、电机定子漏感L_ls、极对数n_p、定子电压U_sα与U_sβ、定子磁链ψ_sα与ψ_sβ作为输入变量计算出三个基本电压矢量开始作用的时刻t₁、t₂、t₃；

所述中间电压矢量选择单元输出值以及所述t₁、t₂、t₃输入所述空间矢量调制发生器；所述空间矢量调制发生器输出值输入逆变器来控制六相异步电机。

进一步的，所述开关周期T_s内将零矢量平均分配，其公式为：

式中，d表示一个开关周期内中间电压矢量作用时间占空比，其公式为：

式中，A、B、C的表达式为：

。

进一步的，所述速度调节器采用PI控制器，输入端与转速差值相连，输出给定电磁转矩。

进一步的，所述转矩观测器输入端为（α-β）平面上电机定子磁链、定子电流以及电机极对数，输出负载转矩。

进一步的，所述磁链观测器输入端为（α-β）平面上电机定子磁链电压与定子电流，输出定子磁链幅值以及磁链转角。

进一步的，所述扇区判断单元的输入端为定子磁链转角，输出端为定子磁链所在扇区。

进一步的，所述空间矢量调制发生器输入端为中间电压矢量的序号以及三个基本电压矢量开始作用的时刻t₁、t₂、t₃，输出是逆变器六桥臂的触发脉冲信号。

本发明的有益效果是：

1）电机转矩脉动小，电机速度平稳，附加损耗、机械振动和发热大大减少，电机寿命很大程度上得到提升；

2）以中间电压矢量作为所选电压矢量并且在每个开关周期中将零矢量平均分配，改善了电机定子电流谐波和简化矢量选择；

3）由本周期的转矩差值等变量计算出中间电压矢量在下一个开关周期中的作用时间占空比，并且进一步计算出基本电压矢量开始作用的时刻，来对转矩差值进行补偿，使电磁转矩能够紧跟负载转矩的变化，避免了传统DTC方法中单一电压矢量的作用时间占据了一个完整的开关周期导致的转矩超调，降低了电机的转矩脉动，并且固定了开关频率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明现有技术中DTC控制系统结构框图；

图2是本发明DTC控制系统结构框图；

图3是基本电压矢量合成中间电压矢量的向量图；

图4是磁链观测器结构框图；

图5是选择中间电压矢量为U₁’时逆变器各桥臂开关时刻；

图6是传统DTC系统转矩响应曲线；

图7是优化后DTC系统转矩响应曲线；

图8是传统DTC系统（z₁-z₂）平面定子谐波电流；

图9是优化后DTC系统（z₁-z₂）平面定子谐波电流。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，一种六相异步电机DTC系统的优化方法结构框图，所述控制系统包括：中间电压矢量选择单元、基本电压矢量作用时间计算单元、速度调节器、转矩观测器、磁链观测器、转矩滞环比较器、磁链滞环比较器、电压6s/2s单元、电流6s/2s单元、扇区判断单元、空间矢量调制发生器以及测速编码器。

所述转矩滞环比较器、磁链滞环比较器的输入分别是转矩差值ΔT_e与磁链差值ΔΨ_s。滞环比较器的输出特性是输入为正且绝对值大于环宽则输出1；输入为负且绝对值大于环宽则输出-1；绝对值小于环宽则输出0。因此转矩滞环比较器、磁链滞环比较器的输出dT与dΨ的取值范围是-1或0或1。

所述电压6s/2s单元与电流6s/2s单元的输入分别是自然坐标系下六相异步电机定子相电压U_A1~U_C1与定子相电流i_A1~i_C1；输出分别是是（α-β）平面上的电压U_sα、U_sβ与电流i_sα、i_sβ。输出是由输入经过变换矩阵F得到。

所述中间电压矢量选择单元是依据转矩滞环比较器输出值dT与磁链滞环比较器的输出值dΨ作为中间电压矢量选择单元的输入以选择合适的中间电压矢量，电压矢量的序号记为k，将中间电压矢量作为电压矢量表的电压矢量目的在于能够抑制电机定子电流谐波和简化矢量选择；各扇区选择中间电压矢量的控制规则如表1所示，sec表示扇区号。其中，中间电压矢量是由逆变器64个开关状态经变换矩阵F在（α-β）平面上投影出的每3个相邻外围基本电压矢量合成得到的，共12个，如图3所示，合成原则是使中间电压矢量在（z₁-z₂）谐波平面上的投影为零矢量。由于中间电压矢量在（z₁-z₂）谐波平面上的投影为零矢量，因此有利于减小电机定子谐波电流。变换矩阵F如下：

(1)

合成中间电压矢量的公式如下：

(2)

表1 各扇区选择中间电压矢量的控制规则

所述基本电压矢量作用时间计算单元的输出是下一个开关周期基本电压矢量开始作用的时刻t₁、t₂、t₃，可对转矩差值ΔT_e进行补偿，使电磁转矩能够紧跟负载转矩的变化，并且固定了开关频率。具体实现方法是将中间电压矢量序号k、转矩差值ΔT_e、IGBT开关周期T_s、逆变器直流侧电压U_dc、电机定子漏感L_ls、极对数n_p、定子电压U_sα与U_sβ、定子磁链ψ_sα与ψ_sβ作为输入变量计算三个基本电压矢量开始作用的时刻t₁、t₂、t₃；为了进一步降低电机定子谐波电流，在每个开关周期内将零矢量平均分配，其中，所谓的零矢量为（α-β）平面上模值为0的电压矢量，其公式为：

(3)

式中，d表示一个开关周期内中间电压矢量作用时间占空比，其公式为：

(4)

式中，A、B、C的表达式为：

(5)

所述速度调节器采用PI控制器，输入端与转速差值Δω_r相连，输出给定电磁转矩T_e ^*。

所述转矩观测器输入端为电机（α-β）平面上电机定子磁链ψ_sα与ψ_sβ、定子电流i_sα与i_sβ以及电机极对数n_p，输出电磁转矩T_e，其公式为：

(6)

如图4所示，所述磁链观测器输入端为电机（α-β）平面上电机定子磁链ψ_sα与ψ_sβ、定子电流i_sα与i_sβ，输出定子磁链幅值ψ_s以及磁链转角θ。为了抑制由于输入误差导致积分器输出发生漂移，采用带有饱和特性反馈的新型积分器。磁链观测器的放大电路是一阶惯性环节，另外由输出引出一路反馈信号，对惯性环节带来的幅值和相位误差进行补偿，其输入输出关系可以表示为：

(7)

式中，x、y、z、ω_c分别表示积分器的输入、输出、输出经过限幅后的值以及截止频率。

这种积分器的特性介于纯积分和惯性环节之间。z =0没有引入反馈，观测器为一阶惯性环节；z=y反馈取自输出，观测器为纯积分环节。对于输入为正弦的理想情况下，积分器的输出也是正弦；如果输入含有直流分量则会导致积分器输出饱和，这时体现反馈饱和作用，反馈值变为扰动信号，积分器变为惯性环节，直流分量被抑制。

所述扇区判断单元的输入端为定子磁链转角θ，输出端为定子磁链所在扇区sec。

所述空间矢量调制发生器输入端为所选中间电压矢量的序号k以及三个基本电压矢量开始作用的时刻t₁、t₂、t₃，输出是逆变器六桥臂的触发脉冲信号。当选择中间电压矢量为U₁’时，参与合成的基本电压矢量为U₄₁、U₉、U₁₁，逆变器各桥臂开关时刻如图5所示，T_cm1~T_cm6、T_cm7~ T_cm12分别表示逆变器A₁~C₂相桥臂的开通和关断时刻。

为了验证本发明方法，采用MATLAB/Simulink仿真软件进行仿真。在（α-β）和（z₁-z₂）二维平面下搭建六相异步电机的仿真模型，可引出谐波平面（z₁-z₂）上的定子电流，谐波平面上电流越小，则定子电流中含有的12k±5次谐波成分就越少。仿真参数如下：开关频率5kHz；逆变器直流侧电压250V；极对数2；定子电阻2.125Ω；转子电阻1.62Ω；定子等效两相自感0.444H；转子等效两相自感0.444H；同轴等效互感0.434H。电机空载启动，0.4秒时突加负载转矩10N·m，0.7秒时突加负载转矩20N·m。图6是传统DTC系统转矩响应曲线；图7是优化后DTC系统转矩响应曲线；图8是传统DTC系统（z₁-z₂）平面上定子谐波电流；图9是优化后DTC系统（z₁-z₂）平面上定子谐波电流。

本发明与传统DTC系统的结构基本一致，依然仅使用一个速度环PI调节器，保持系统结构简单、鲁棒性好的优势，并且图6~图9的仿真结果证明了本发明相较于传统DTC方法可以降低六相异步电机的转矩脉动以及能够抑制定子谐波电流的优势。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种六相异步电机DTC系统的优化方法，其特征在于，所述DTC系统包括中间电压矢量选择单元、基本电压矢量作用时间计算单元、速度调节器、转矩观测器、磁链观测器、转矩滞环比较器、磁链滞环比较器、电压6s/2s单元、电流6s/2s单元、扇区判断单元、空间矢量调制发生器以及测速编码器；

所述转矩滞环比较器与磁链滞环比较器输出值以及所述扇区判断单元输出的输出值输入所述中间电压矢量选择单元；

所述基本电压矢量作用时间计算单元是将中间电压矢量选择单元输出值、速度调节器输出值与转矩观测器输出值的差值、IGBT开关周期T_s、逆变器直流侧电压U_dc、电机定子漏感L_ls、极对数n_p、定子电压U_sα与U_sβ、定子磁链ψ_sα与ψ_sβ作为输入变量计算出三个基本电压矢量开始作用的时刻t₁、t₂、t₃；

所述中间电压矢量选择单元输出值以及所述t₁、t₂、t₃输入所述空间矢量调制发生器；所述空间矢量调制发生器输出值输入逆变器来控制六相异步电机;

所述速度调节器采用PI控制器，输入端与转速差值相连，输出电磁转矩;

所述开关周期T_s内将零电压矢量平均分配，三个基本电压矢量开始作用的时刻t₁、t₂、t₃的计算公式为：

式中，d表示一个开关周期内中间电压矢量作用时间占空比，其公式为：

式中，A、B、C的表达式为：

;

其中，ΔT_e为转矩差值，L_ls为电机定子漏感，k为中间电压矢量序号。

2.如权利要求1所述六相异步电机DTC系统的优化方法，其特征在于，所述转矩观测器输入端为（α-β）平面上电机定子磁链、定子电流以及电机极对数，输出负载转矩。

3.如权利要求1所述六相异步电机DTC系统的优化方法，其特征在于，所述磁链观测器输入端为（α-β）平面上电机定子磁链电压与定子电流，输出定子磁链幅值以及磁链转角。

4.如权利要求1所述六相异步电机DTC系统的优化方法，其特征在于，所述扇区判断单元的输入端为定子磁链转角，输出端为定子磁链所在扇区。

5.如权利要求1所述六相异步电机DTC系统的优化方法，其特征在于，所述空间矢量调制发生器输入端为中间电压矢量的序号以及三个基本电压矢量开始作用的时刻t₁、t₂、t₃，输出是逆变器六桥臂的触发脉冲信号。