CN104682826B - 一种交流同步电机直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流同步电机直接转矩控制方法，根据交流同步电机的无功电流抑制单元的输出获取期望定子磁链幅值，首先，由交流同步电机的三相电枢绕组电流，经过3/2变换得到电机三相电枢绕组的实际转矩电流分量和实际无功电流分量；然后，将实际无功电流分量的数值取反，所得数值依次经过比例积分环节、限幅环节得到定子磁链幅值偏差量；最后，将电机的额定励磁磁链数值与定子磁链幅值偏差量相加得到电机的期望定子磁链幅值。本发明保持了直接转矩控制系统结构简单、参数鲁棒性强、系统动态性能强的优点，实现了对无功电流的有效控制，使得系统在不同负载条件下无功电流均为0，有效的提高了系统的功率因数、效率、转矩铜耗比。

Description

一种交流同步电机直接转矩控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种交流同步电机直接转矩控制方法。

背景技术

交流电机的转速闭环控制系统本质上是要对电机的电磁转矩实现有效的跟踪控制。交流电机电机调速领域的两大里程碑控制算法为矢量控制和直接转矩控制。

上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。矢量控制算法存在缺点如下：

(1)参数鲁棒性不强，参数的变化将影响系统的控制精度。

(2)由于内环采用电流环，电流环的存在影响了系统的动态性能。

直接转矩控制(Direct Torque Control——DTC)，国外的原文有的也称为Directself-control——DSC，直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。

与矢量控制相比，直接转矩控制算法的优点如下：

(1)参数鲁棒性强，

(2)不存在电流环，系统动态性能强。

但是在直接转矩控制中，电机的定子磁链被控制为恒定值，这样就导致在负载变化时，系统的无功电流不为零，降低了系统的功率因数，降低了系统的转矩铜耗比和效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种交流同步电机直接转矩控制方法，解决了现有技术中电机无功功率不为0，从而降低了系统的功率因数，降低了系统的转矩铜耗比和效率的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种交流同步电机直接转矩控制方法，包括如下步骤：

步骤1、根据交流同步电机的期望转速与实际转速的差值，经过比例积分环节得到电机的期望电磁转矩；

步骤2、根据电磁转矩辨识单元辨识得到交流同步电机的实际电磁转矩；

步骤3、将电机的期望电磁转矩与交流同步电机的实际电磁转矩作差，根据该差值极性和大小决定转矩信号；

步骤4、由定子磁链辨识单元辨识得到交流同步电机的实际定子磁链幅值和实际定子磁链矢量相位；

步骤5、磁链滞环，将电机的期望定子磁链幅值与交流同步电机的实际定子磁链幅值作差，根据该差值极性和大小决定磁链信号；

步骤6、根据转矩信号、实际定子磁链矢量相位以及磁链信号确定三相全桥逆变器的开关矢量，施加于电机；

所述期望定子磁链幅值，根据交流同步电机的无功电流抑制单元的输出获取，具体的过程如下：

首先，由交流同步电机的三相电枢绕组电流，经过3/2变换得到电机三相电枢绕组的实际转矩电流分量和实际无功电流分量；

然后，将实际无功电流分量的数值取反，所得数值依次经过比例积分环节、限幅环节得到定子磁链幅值偏差量；

最后，将电机的额定励磁磁链数值与定子磁链幅值偏差量相加得到电机的期望定子磁链幅值。

所述交流同步电机的a、b、c三相定子电压采用如下公式获取：

其中，U_dc为三相全桥逆变器供电的直流电源的母线电压幅值，D_a、D_b、D_c分别为三相全桥逆变器a、b、c相的占空比。

交流同步电机的三相定子电压经过3/2变换得到交流同步电机两相静止坐标定子电压为：

交流同步电机的三相定子电流经过3/2变换得到交流同步电机两相静止坐标定子电流：

其中，i_a、i_b、i_c为电流传感器获得的交流同步电机的a、b、c三相定子电流。

交流同步电机的实际定子磁链幅值ψ_s和相位θ_s：

其中，ψ_sα定子磁链α轴分量，ψ_sβ为定子磁链β轴分量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明保持了直接转矩控制系统结构简单、参数鲁棒性强、系统动态性能强的优点，实现了对无功电流的有效控制，使得系统在不同负载条件下无功电流均为0，有效的提高了系统的功率因数、效率、转矩铜耗比。

2、本发明无功电流抑制方法对电机目标无功电流分量和实际无功电流分量的差值作比例积分调节得到定子磁链幅值偏差量，由额定励磁磁链幅值与定子磁链幅值偏差量确定目标定子磁链幅值，在电机负载变化时实现对实际定子磁链幅值的调节，从而实现无功电流的抑制。

附图说明

图1为本发明系统结构图。

图2为无功电流为正时的磁链矢量图。

图3为无功电流为负时的磁链矢量图。

其中，图中的标识为：-期望定子磁链矢量；-额定励磁磁链幅值；-无功电流矢量；-转矩电流矢量；L_d-交流同步电机的d轴定子电感；L_q-交流同步电机的q轴定子电感。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。

如图1所示，交流同步电机的转轴上装有转子位置传感器，由转子位置传感器获得电机的转子位置信号θ_r，采用微分环节对电机的转子位置信号θ_r进行求微分，获得电机的实际转子同步电角频率ω_e，电机的期望转子同步角频率设定为与ω_e作差，所得差值依次经过比例积分环节(PI环节)、限幅环节获得电机的期望电磁转矩利用电压传感器获得为三相全桥逆变器供电的直流电源的母线电压幅值U_dc，利用U_dc和三相全桥逆变器的占空比D_a，D_b，D_c获得电机的三相定子电压:

三相全桥逆变器的占空比D_a，D_b，D_c定义如下：

当三相全桥逆变器第一开关管g1导通，三相全桥逆变器第二开关管g2关断时，D_a＝1，

当三相全桥逆变器第一开关管g1关断，三相全桥逆变器第二开关管g2导通时，D_a＝0，

当三相全桥逆变器第三开关管g3导通，三相全桥逆变器第四开关管g4关断时，D_b＝1，

当三相全桥逆变器第三开关管g3关断，三相全桥逆变器第四开关管g4导通时，D_b＝0，

当三相全桥逆变器第五开关管g5导通，三相全桥逆变器第六开关管g6关断时，D_c＝1，

当三相全桥逆变器第五开关管g5关断，三相全桥逆变器第六开关管g6导通时，D_c＝0，

将交流同步电机的三相定子电压经过3/2变换得到交流同步电机两相静止坐标定子电压：

利用电流传感器获得交流同步电机的三相定子电流i_a，i_b，i_c，将交流同步电机的三相定子电流经过3/2变换得到交流同步电机两相静止坐标定子电流：

利用(2)和(3)，可以求得交流同步电机的两相静止坐标定子磁链：

式中，为积分算子，R为交流同步电机定子电阻，

利用(3)和(4)求得交流同步电机的实际电磁转矩：

式中，P_r为交流同步电机转子极对数。

利用(4)求得交流同步电机的实际定子磁链幅值和相位：

当时，区间信号k_θ＝1，

当时，k_θ＝2，

当时，k_θ＝3，

当时，k_θ＝4，

当时，k_θ＝5，

当时，k_θ＝6，

当时，k_θ＝1，

利用电机的期望电磁转矩与电机的实际电磁转矩T_e作差，

当该差值大于等于0，转矩信号k_T＝1，

当该差值小于等于0，转矩信号k_T＝0，

利用电机的期望定子磁链幅值与电机的实际定子磁链幅值ψ_s作差，

当该差值大于等于0，磁链信号k_ψ＝1，

当该差值小于等于0，磁链信号k_ψ＝0，

根据区间信号k_θ、转矩信号k_T和磁链信号k_ψ，根据开关状态表，可以确定三相全桥逆变器的占空比D_a，D_b，D_c，利用开关状态表确定占空比的步骤如下：

当k_θ＝1，k_T＝1，k_ψ＝1时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝0，

当k_θ＝1，k_T＝1，k_ψ＝0时，D_a＝0，D_b＝1，D_c＝0，

当k_θ＝1，k_T＝0，k_ψ＝1时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝1，

当k_θ＝1，k_T＝0，k_ψ＝0时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝1，

当k_θ＝2，k_T＝1，k_ψ＝1时，D_a＝0，D_b＝1，D_c＝0，

当k_θ＝2，k_T＝1，k_ψ＝0时，D_a＝0，D_b＝1，D_c＝1，

当k_θ＝2，k_T＝0，k_ψ＝1时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝1，

当k_θ＝2，k_T＝0，k_ψ＝0时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝1，

当k_θ＝3，k_T＝1，k_ψ＝1时，D_a＝0，D_b＝1，D_c＝1，

当k_θ＝3，k_T＝1，k_ψ＝0时，D_a＝0，D_b＝0，D_c＝1，

当k_θ＝3，k_T＝0，k_ψ＝1时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝1，

当k_θ＝3，k_T＝0，k_ψ＝0时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝1，

当k_θ＝4，k_T＝1，k_ψ＝1时，D_a＝0，D_b＝0，D_c＝1，

当k_θ＝4，k_T＝1，k_ψ＝0时，D_a＝1，D_b＝0，D_c＝1，

当k_θ＝4，k_T＝0，k_ψ＝1时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝1，

当k_θ＝4，k_T＝0，k_ψ＝0时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝1，

当k_θ＝5，k_T＝1，k_ψ＝1时，D_a＝1，D_b＝0，D_c＝1，

当k_θ＝5，k_T＝1，k_ψ＝0时，D_a＝1，D_b＝0，D_c＝0，

当k_θ＝5，k_T＝0，k_ψ＝1时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝1，

当k_θ＝5，k_T＝0，k_ψ＝0时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝1，

当k_θ＝6，k_T＝1，k_ψ＝1时，D_a＝1，D_b＝0，D_c＝0，

当k_θ＝6，k_T＝1，k_ψ＝0时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝0，

当k_θ＝6，k_T＝0，k_ψ＝1时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝1，

当k_θ＝6，k_T＝0，k_ψ＝0时，D_a＝1，D_b＝1，D_c＝1，

根据以上具体方案，可以实现交流同步电机的直接转矩控制。

为了实现交流同步电机的直接转矩控制算法中的无功电流为0，提高电机的效率、功率因数和转矩铜耗比，本发明在交流同步电机的直接转矩控制中加入无功电流抑制环节，无功电流抑制环节具体实现如下：

利用交流同步电机两相静止坐标定子电流经过2/2变换获得交流同步电机两相旋转坐标定子电流：

其中，i_d为d轴电流(无功电流)，i_q为q轴电流(转矩电流)，

将i_d的相反数-i_d经过比例积分环节和限幅环节得到定子磁链幅值偏差量Δψ_s，限幅环节的下限为额定的励磁磁链数值ψ_pm，限幅环节的上限为其中，L_q为交流同步电机的q轴定子电感，根据交流同步电机结构，利用有限元软件，可以获得L_q，i_q-rated为交流同步电机的额定q轴定子电流，

将电机的额定励磁磁链数值ψ_pm与定子磁链幅值偏差量Δψ_s相加得到电机的定子磁链期望幅值定子磁链期望幅值根据无功电流分量进行动态调节，从而使得系统的稳态无功电流为0。

如图2所示，当无功电流i_d为正时，取反后，-i_d为负，-i_d经过第二PI环节和第二限幅环节，使得期望定子磁链矢量的长度(定子磁链期望幅值)减小，依据勾股定理，i_d的绝对值减小，经过第二PI环节的无静差调节，使得最终无功电流为0。

如图3所示，当无功电流i_d为负时，取反后，-i_d为正，-i_d经过第二PI环节和第二限幅环节，使得期望定子磁链矢量的长度(定子磁链期望幅值)增加，依据勾股定理，i_d的绝对值减小，经过第二PI环节的无静差调节，使得最终无功电流为0。

本发明无功电流抑制方法对电机目标无功电流分量和实际无功电流分量的差值作比例积分调节得到定子磁链幅值偏差量，由额定励磁磁链幅值与定子磁链幅值偏差量确定目标定子磁链幅值，在电机负载变化时实现对实际定子磁链幅值的调节，从而实现无功电流的抑制。本发明在维持直接转矩控制结构简单、参数鲁棒性强、动态性能强等优点的前提下，使得系统的无功电流为0，提高了系统的效率、转矩铜耗比。

本发明无功电流抑制方法不仅可以适用于交流同步电机的直接转矩控制系统，同时可以应用到无刷交流同步发电机的直接功率控制系统、有源滤波器的直接功率控制系统、PWM整流器的直接功率控制系统、基于空间矢量调制的交流同步电机的直接转矩控制系统、基于空间矢量调制的无刷交流同步发电机的直接功率控制系统、基于空间矢量调制的有源滤波器的直接功率控制系统、基于空间矢量调制的PWM整流器的直接功率控制系统、交流同步电机的直接转矩线性控制系统、无刷交流同步发电机的直接功率线性控制系统、有源滤波器的直接功率线性控制系统、PWM整流器的直接功率线性控制系统。

Claims (5)

1.一种交流同步电机直接转矩控制方法，包括如下步骤：

步骤1、根据交流同步电机的期望转速与实际转速的差值，经过比例积分环节得到电机的期望电磁转矩；

步骤2、根据电磁转矩辨识单元辨识得到交流同步电机的实际电磁转矩；

步骤3、将电机的期望电磁转矩与交流同步电机的实际电磁转矩作差，根据该差值极性和大小决定转矩信号；

步骤4、由定子磁链辨识单元辨识得到交流同步电机的实际定子磁链幅值和实际定子磁链矢量相位；

步骤5、磁链滞环，将电机的期望定子磁链幅值与交流同步电机的实际定子磁链幅值作差，根据该差值极性和大小决定磁链信号；

步骤6、根据转矩信号、实际定子磁链矢量相位以及磁链信号确定三相全桥逆变器的开关矢量，施加于电机；

其特征在于：所述期望定子磁链幅值，根据交流同步电机的无功电流抑制单元的输出获取，具体的过程如下：

首先，由交流同步电机的三相电枢绕组电流，经过3/2变换得到电机三相电枢绕组的实际转矩电流分量和实际无功电流分量；

然后，将实际无功电流分量的数值取反，所得数值依次经过比例积分环节、限幅环节得到定子磁链幅值偏差量；

最后，将电机的额定励磁磁链数值与定子磁链幅值偏差量相加得到电机的期望定子磁链幅值。

2.根据权利要求1所述的交流同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：所述交流同步电机的a、b、c三相定子电压采用如下公式获取：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=\frac{1}{3}{U}_{\mathrm{dc}}({2D}_a-D_b-D_c)\\ u_b=\frac{1}{3}{U}_{\mathrm{dc}}({2D}_b-D_a-D_c)\\ u_c=\frac{1}{3}{U}_{\mathrm{dc}}({2D}_c-D_b-D_a)\end{array}\right.,$

其中，U_dc为三相全桥逆变器供电的直流电源的母线电压幅值，D_a、D_b、D_c分别为三相全桥逆变器a、b、c相的占空比。

3.根据权利要求2所述的交流同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：交流同步电机的三相定子电压经过3/2变换得到交流同步电机两相静止坐标定子电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}=u_a-\frac{\sqrt{3}}{2}{u}_b-\frac{\sqrt{3}}{2}{u}_c\\ u_{\mathrm{s\β}}=\frac{1}{2}{u}_b-\frac{1}{2}{u}_c\end{array}\right..$

4.根据权利要求2所述的交流同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：交流同步电机的三相定子电流经过3/2变换得到交流同步电机两相静止坐标定子电流：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}=i_a-\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_b-\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_c\\ i_{\mathrm{s\β}}=\frac{1}{2}{i}_b-\frac{1}{2}{i}_c\end{array}\right.$

其中，i_a、i_b、i_c为电流传感器获得的交流同步电机的a、b、c三相定子电流。

5.根据权利要求1所述的交流同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：交流同步电机的实际定子磁链幅值ψ_s和相位θ_s：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_s=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2}\\ {\mathrm{\θ}}_s=\arcsin \frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_s}\end{array}\right.$

其中，ψ_sα定子磁链α轴分量，ψ_sβ为定子磁链β轴分量。