CN105245152A - 一种圆形与六边形直接转矩控制的切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆形与六边形直接转矩控制的切换方法，包括：将电机当前转速与切换转速进行比较，判断转速是否满足切换条件；通过电机定子三相电压幅值和电流幅值，计算得到磁链幅值和磁链相角；通过磁链相角对磁链扇区进行划分，并判断所述磁链幅值和所述磁链相角是否满足切换条件；通过磁链扇区分布以及当前的开关信号，判断电压矢量是否满足切换条件；若均满足切换条件则进行圆形磁链控制与六边形磁链控制的切换。所述圆形与六边形直接转矩控制的切换方法不仅能有效保证圆形磁链控制与六边形磁链控制的顺利切换，而且减小了速度和转矩的脉动，同时对定子电流波形的影响极小，也不会对器件耐压和同流能力造成额外的负担。

Description

一种圆形与六边形直接转矩控制的切换方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别是指一种圆形与六边形直接转矩控制的切换方法。

背景技术

直接转矩控制是1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授提出的新型电机控制方案，直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快和鲁棒性强等优点。目前直接转矩控制根据磁链轨迹通常可分为六边形磁链控制和圆形磁链控制。六边形磁链控制表现为一个控制周期内改变6次开关状态，在大功率牵引中，能有效减少开关损耗，因此六边形磁链控制在高速状态下，定子磁链模型能满足比较精确的控制需求。圆形磁链控制表现为一个控制周期内输出的电压矢量数很多，使得磁链轨迹尽量接近圆形，这种控制策略可以有效减少定子电流谐波含量；但是开关器件的开关频率过高，在大功率牵引领域中的应用受到限制。

由于直接转矩控制存在必然存在转矩脉动，所以出现了以抑制转矩脉动为目的的分段式直接转矩控制策略。具体为：在低速时采用圆形磁链控制，获得较小的转矩脉动；在高速时采用六边形磁链控制，减小开关次数，降低损耗。这种将两种控制策略结合起来的方法可以在全速范围内获得较好的输出转矩。由低速到高速的切换条件的判断，目前较好的策略是采用速度和磁链双重判据，即速度达到给定值并且磁链也达到给定值时才进行切换。但现有切换条件的判断并不全面，无法保证在所有情况下都能成功切换，即可能出现切换失败的情况，而且切换过程中仍会出现较大的转矩脉动。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种圆形与六边形直接转矩控制的切换方法，既能完成圆形与六边形直接转矩控制的有效切换，而且进一步减小了切换过程中电机的转矩脉动。

基于上述目的本发明提供的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法包括：

将电机当前的转速与设定的切换转速进行比较，判断转速是否满足切换条件；若不满足则返回初始状态重新判断，若满足则继续判断；

通过电机定子三相电压幅值和电流幅值，计算得到磁链幅值和磁链相角；通过磁链相角对磁链扇区进行划分，并且判断所述磁链幅值和所述磁链相角是否满足切换条件；若至少有一个不满足，则返回初始状态重新判断；若两个都满足则继续判断；

通过磁链扇区分布以及当前的开关信号，判断电压矢量是否满足切换条件；若不满足，则返回初始状态重新判断；若满足则进行圆形磁链控制与六边形磁链控制的切换，即封锁圆形磁链控制器，启动六边形磁链控制器。

可选的，所述电机转速的判断方法为：

当ω＞ω_N时，表示满足切换条件，

其中ω为电机当前转速，ω_N为设定的切换转速，由此根据不同的切换需求，选择合适的切换速度。

可选的，所述电机转速采用容差的方式进行判断，具体判断方法为：

当ω＞ω_N+δ时，表示满足切换条件，

其中，δ为设定的容差转速。

可选的，所述切换速度为电机额定速度的30％。

可选的，所述计算磁链幅值和磁链相角的方法具体为三相-两相变换的方法，其计算公式为：

$U_{s\mathrm{\α}}=\sqrt{\frac{2}{3}}(U_{sa}-\frac{1}{2}{U}_{sb}-\frac{1}{2}{U}_{sc})$

$U_{s\mathrm{\β}}=\sqrt{\frac{2}{3}}(\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{sb}-\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{sc})$

$i_{s\mathrm{\α}}=\sqrt{\frac{2}{3}}(i_{sa}-\frac{1}{2}{i}_{sb}-\frac{1}{2}{i}_{sc})$

$i_{s\mathrm{\β}}=\sqrt{\frac{2}{3}}(\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{sb}-\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{sc})$

利用上述结果和定子电阻值计算得到α-β坐标系的定子磁链值。

ψ_sα＝∫(U_sα-i_sαR_s)dt

ψ_sβ＝∫(U_sβ-i_sβR_s)dt

利用α-β坐标系的定子磁链值，计算得到磁链幅值和磁链相角。

${\mathrm{\ψ}}_s=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}^2}$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\ψ}s}=arctan\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}$

其中，U_saU_sbU_sc分别为定子三相电压幅值，i_sai_sbi_sc分别为定子三相电流幅值，U_sαU_sβ分别为α-β坐标系的定子电压幅值，i_sαi_sβ分别为α-β坐标系的定子电流幅值，R_s为定子电阻值，ψ_sαψ_sβ分别为α-β坐标系的α相和β相定子磁链值，ψ_s为磁链幅值，θ_ψs为磁链相角。

可选的，所述磁链扇区的划分方法为：

若0≤θ_ψs＜π/3，定子磁链位于T1扇区，即s＝T1；

若π/3≤θ_ψs＜2π/3时，定子磁链位于T2扇区，即s＝T2；

若2π/3≤θ_ψs＜π时，定子磁链位于T3扇区，即s＝T3；

若π≤θ_ψs＜4π/3时，定子磁链位于T4扇区，即s＝T4；

若4π/3≤θ_ψs＜5π/3时，定子磁链位于T5扇区，即s＝T5；

若5π/3≤θ_ψs＜2π时，定子磁链位于T6扇区，即s＝T6。

可选的，所述磁链幅值的判断方法为：

当||ψ_s|-|ψ_switch||≤|ε_ψ|时，所述磁链幅值满足切换条件；

其中，ψ_switch为设定的切换磁链幅值，ε_ψ为磁链幅值容差。

可选的，所述磁链相角的判断方法为：

当|θ_ψs-θ_ψsswitch|≤|ε_θ|时，所述磁链相角满足切换条件；

其中，θ_ψsswitch为设定的切换磁链相角，k＝012345，ε_θ为磁链相角容差。

可选的，通过磁链扇区分布以及当前的开关信号gi，i＝123456，gi＝1，表示该开关管开通，gi＝0表示该开关管关断；判断电压矢量G(g1、g2、g3、g4、g5、g6)是否满足切换条件；判断方法为：

若s＝T1，当G＝(011001)时满足电压矢量切换条件；

若s＝T2，当G＝(011010)时满足电压矢量切换条件；

若s＝T3，当G＝(010110)时满足电压矢量切换条件；

若s＝T4，当G＝(100110)时满足电压矢量切换条件；

若s＝T5，当G＝(100101)时满足电压矢量切换条件；

若s＝T6，当G＝(101001)时满足电压矢量切换条件。

从上面所述可以看出，本发明提供的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法不仅能有效保证圆形磁链控制与六边形磁链控制的顺利切换，而且减小了速度和转矩的脉动，同时对定子电流波形的影响极小，也不会对器件耐压和同流能力造成额外的负担。

附图说明

图1为本发明提供的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法的流程图；

图2为本发明提供的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法的系统原理图；

图3为本发明提供的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法的磁链扇区的分布示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参照图1所示，为本发明提供的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法的流程图。所述圆形与六边形直接转矩控制的切换方法，包括：

将电机当前的转速与设定的切换转速进行比较，判断转速是否满足切换条件；若不满足则返回初始状态重新判断，若满足则继续判断；

通过电机定子三相电压幅值和电流幅值，计算得到磁链幅值和磁链相角；通过磁链相角对磁链扇区进行划分，并且判断所述磁链幅值和所述磁链相角是否满足切换条件；若至少有一个不满足，则返回初始状态重新判断；若两个都满足则继续判断；

通过磁链扇区分布以及当前的开关信号，判断电压矢量是否满足切换条件；若不满足，则返回初始状态重新判断；若满足则进行圆形磁链控制与六边形磁链控制的切换，即封锁圆形磁链控制器，启动六边形磁链控制器。

所述磁链幅值和所述磁链相角的判断顺序可以相互调换，而且根据实际的切换状况，所述转速、所述电压矢量、所述磁链幅值和所述磁链相角均能相应调整，只需保证切换时，所述转速、所述电压矢量、所述磁链幅值和所述磁链相角均满足切换条件。

由上述实施例可知，所述圆形与六边形直接转矩控制的切换方法通过控制切换时的转速大小、磁链幅值大小、磁链相角大小和圆形磁链控制器输出的电压矢量能够既保证磁链控制规则的顺利切换又可以控制电机的转矩脉动。

在一些可选的实施例中，所述电机转速的判断方法为：当ω＞ω_N时，表示转速满足切换条件，其中ω为电机当前转速，ω_N为设定的切换转速。这样，可以根据不同的切换需求，选择合适的切换速度，大大提高了所述圆形与六边形直接转矩控制的切换方法对不同工况的适应性。

优选的，所述切换速度为额定速度的30％，即当采集的电机转速高于额定速度的30％时，则转速满足切换条件。所述切换速度既能保证电机低速时通过圆形磁链控制具有较小的转矩脉动，又使得电机升速时可以及时切换到六边形磁链控制，降低损耗。

进一步，所述电机转速采用容差的方式进行判断，根据电机运行状况设定合适的容差转速，具体判断方法为：当ω＞ω_N+δ时，表示满足切换条件，其中，δ为设定的容差转速。这样，不仅能避免震荡，而且所述转速的判断能够保证当所述转速满足切换条件时，在较短时间内所述转速不会低于所述切换速度，保证了进行其余判断时，转速满足切换条件的有效性。

优选的，所述容差转速取值为5。

参照图2所示，为本发明提供的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法的系统原理图，所述计算磁链幅值和磁链相角的方法具体为三相-两相变换的方法，其计算公式为：

$U_{s\mathrm{\α}}=\sqrt{\frac{2}{3}}(U_{sa}-\frac{1}{2}{U}_{sb}-\frac{1}{2}{U}_{sc})$

$U_{s\mathrm{\β}}=\sqrt{\frac{2}{3}}(\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{sb}-\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{sc})$

$i_{s\mathrm{\α}}=\sqrt{\frac{2}{3}}(i_{sa}-\frac{1}{2}{i}_{sb}-\frac{1}{2}{i}_{sc})$

$i_{s\mathrm{\β}}=\sqrt{\frac{2}{3}}(\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{sb}-\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{sc})$

利用上述结果和定子电阻值计算得到α-β坐标系的定子磁链值。

ψ_sα＝∫(U_sα-i_sαR_s)dt

ψ_sβ＝∫(U_sβ-i_sβR_s)dt

利用α-β坐标系的定子磁链值，计算得到磁链幅值和磁链相角。

${\mathrm{\ψ}}_s=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}^2}$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\ψ}s}=arctan\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}$

其中，U_saU_sbU_sc分别为定子三相电压幅值，i_sai_sbi_sc分别为定子三相电流幅值，U_sαU_sβ分别为α-β坐标系的定子电压幅值，i_sαi_sβ分别为α-β坐标系的定子电流幅值，R_s为定子电阻值，ψ_sαψ_sβ分别为α-β坐标系的α相和β相定子磁链值，ψ_s为磁链幅值，θ_ψs为磁链相角。

参照图3所示，为本发明提供的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法的磁链扇区的分布示意图，所述磁链扇区的划分方法为：

若0≤θ_ψs＜π/3，定子磁链位于T1扇区，即s＝T1；

若π/3≤θ_ψs＜2π/3时，定子磁链位于T2扇区，即s＝T2；

若2π/3≤θ_ψs＜π时，定子磁链位于T3扇区，即s＝T3；

若π≤θ_ψs＜4π/3时，定子磁链位于T4扇区，即s＝T4；

若4π/3≤θ_ψs＜5π/3时，定子磁链位于T5扇区，即s＝T5；

若5π/3≤θ_ψs＜2π时，定子磁链位于T6扇区，即s＝T6。

在一些可选的实施例中，所述磁链幅值的判断方法为：当||ψ_s|-|ψ_switch||≤|ε_ψ|时，所述磁链幅值满足切换条件，其中，ψ_switch为设定的切换磁链幅值，ε_ψ为磁链幅值容差。这样，可以根据电机实际工况，设定合适的切换磁链幅值，以达到最佳的切换效果。而且所述磁链幅值容差进一步保证了所述磁链幅值切换判断的可靠性。

优选的，所述磁链幅值容差取值为0.001。

在一些可选的实施例中，所述磁链相角的判断方法为：当|θ_ψs-θ_ψsswitch|≤|ε_θ|时，所述磁链相角满足切换条件；其中，θ_ψsswitch为设定的切换磁链相角，k＝012345，ε_θ为磁链相角容差。这样，可以根据电机实际工况，设定合适的切换磁链相角，以达到最佳的切换效果。而且所述磁链相角容差进一步保证了所述磁链相角切换判断的可靠性。

优选的，所述磁链相角容差取值为0.01。

在一些可选的实施例中，结合磁链扇区分布，所述磁链相角切换的判断方法具体为：

若s＝T1，当时，所述磁链相角满足切换条件；

若s＝T2，当时，所述磁链相角满足切换条件；

若s＝T3，当时，所述磁链相角满足切换条件；

若s＝T4，当时，所述磁链相角满足切换条件；

若s＝T5，当时，所述磁链相角满足切换条件；

若s＝T6，当时，所述磁链相角满足切换条件。

在一些可选的实施例中，通过磁链扇区分布以及当前的开关信号gi，i＝123456，gi＝1，表示该开关管开通，gi＝0表示该开关管关断；判断电压矢量G(g1、g2、g3、g4、g5、g6)是否满足切换条件；具体判断方法为：

若s＝T1，当G＝(011001)时电压矢量满足切换条件；

若s＝T2，当G＝(011010)时电压矢量满足切换条件；

若s＝T3，当G＝(010110)时电压矢量满足切换条件；

若s＝T4，当G＝(100110)时电压矢量满足切换条件；

若s＝T5，当G＝(100101)时电压矢量满足切换条件；

若s＝T6，当G＝(101001)时电压矢量满足切换条件。

在一些可选的实施例中，所述圆形与六边形直接转矩控制的切换方法不仅适用于交流异步电机的分段直接转矩过渡过程控制，还适用于交流同步电机、永磁同步电机的直接转矩过渡过程控制。

由上述实施例可知，所述圆形与六边形直接转矩控制的切换方法通过对所述电机转速、所述磁链幅值和所述磁链相角的判断，能够安全可靠地实现圆形磁链控制到六边形磁链控制的切换。而且通过在切换时选择合适的电压矢量能够选择圆形磁链控制与六边形磁链控制的切换点，使得所述切换过程平稳过度，也即大大降低了切换过程中电机的转矩脉动。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (9)

1.一种圆形与六边形直接转矩控制的切换方法，其特征在于，包括：

将电机当前的转速与设定的切换转速进行比较，判断转速是否满足切换条件；若不满足则返回初始状态重新判断，若满足则继续判断；

通过电机定子三相电压幅值和电流幅值，计算得到磁链幅值和磁链相角；通过磁链相角对磁链扇区进行划分，并且判断所述磁链幅值和所述磁链相角是否满足切换条件；若至少有一个不满足，则返回初始状态重新判断；若两个都满足则继续判断；

通过磁链扇区分布以及当前的开关信号，判断电压矢量是否满足切换条件；若不满足，则返回初始状态重新判断；若满足则进行圆形磁链控制与六边形磁链控制的切换，即封锁圆形磁链控制器，启动六边形磁链控制器。

2.根据权利要求1所述的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法，其特征在于，所述电机转速的判断方法为：

当ω＞ω_N时，表示满足切换条件，

其中ω为电机当前转速，ω_N为设定的切换转速，由此根据不同的切换需求，选择合适的切换速度。

3.根据权利要求2所述的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法，其特征在于，所述电机转速采用容差的方式进行判断，具体判断方法为：

当ω＞ω_N+δ时，表示满足切换条件，

其中，δ为设定的容差转速。

4.根据权利要求2-3任意一项所述的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法，其特征在于，所述切换速度为电机额定速度的30％。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法，其特征在于，所述计算磁链幅值和磁链相角的方法具体为三相-两相变换的方法，其计算公式为：

$U_{s\mathrm{\α}}=\sqrt{\frac{2}{3}}(U_{sa}-\frac{1}{2}{U}_{sb}-\frac{1}{2}{U}_{sc})$

$U_{s\mathrm{\β}}=\sqrt{\frac{2}{3}}(\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{sb}-\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{sc})$

$i_{s\mathrm{\α}}=\sqrt{\frac{2}{3}}(i_{sa}-\frac{1}{2}{i}_{sb}-\frac{1}{2}{i}_{sc})$

$i_{s\mathrm{\β}}=\sqrt{\frac{2}{3}}(\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{sb}-\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{sc})$

利用上述结果和定子电阻值计算得到α-β坐标系的定子磁链值。

ψ_sα＝∫(U_sβ-i_sαR_s)dt

ψ_sβ＝∫(U_sβ-i_sβR_s)dt

利用α-β坐标系的定子磁链值，计算得到磁链幅值和磁链相角。

${\mathrm{\ψ}}_s=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}^2}$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\ψ}s}=arctan\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}$

其中，U_saU_sbU_sc分别为定子三相电压幅值，i_sai_sbi_sc分别为定子三相电流幅值，U_sαU_sβ分别为α-β坐标系的定子电压幅值，i_sαi_sβ分别为α-β坐标系的定子电流幅值，R_s为定子电阻值，ψ_sαψ_sβ分别为α-β坐标系的α相和β相定子磁链值，ψ_s为磁链幅值，θ_ψs为磁链相角。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法，其特征在于，所述磁链扇区的划分方法为：

若0≤θ_ψs＜π/3，定子磁链位于T1扇区，即s＝T1；

若π/3≤θ_ψs＜2π/3时，定子磁链位于T2扇区，即s＝T2；

若2π/3≤θ_ψs＜π时，定子磁链位于T3扇区，即s＝T3；

若π≤θ_ψs＜4π/3时，定子磁链位于T4扇区，即s＝T4；

若4π/3≤θ_ψs＜5π/3时，定子磁链位于T5扇区，即s＝T5；

若5π/3≤θ_ψs＜2π时，定子磁链位于T6扇区，即s＝T6。

7.根据权利要求1-3任意一项所述的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法，其特征在于，所述磁链幅值的判断方法为：

当||ψ_s|-|ψ_switch||≤|ε_ψ|时，所述磁链幅值满足切换条件；

其中，ψ_switch为设定的切换磁链幅值，ε_ψ为磁链幅值容差。

8.根据权利要求1-3任意一项所述的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法，其特征在于，所述磁链相角的判断方法为：

当|θ_ψs-θ_ψsswitch|≤|ε_θ|时，所述磁链相角满足切换条件；

其中，θ_ψsswitch为设定的切换磁链相角，k＝012345，ε_θ为磁链相角容差。

9.根据权利要求1-3任意一项所述的圆形与六边形直接转矩控制的切换方法，其特征在于，通过磁链扇区分布以及当前的开关信号gi，i＝123456，gi＝1，表示该开关管开通，gi＝0表示该开关管关断；判断电压矢量G(g1、g2、g3、g4、g5、g6)是否满足切换条件；判断方法为：

若s＝T1，当G＝(011001)时满足电压矢量切换条件；

若s＝T2，当G＝(011010)时满足电压矢量切换条件；

若s＝T3，当G＝(010110)时满足电压矢量切换条件；

若s＝T4，当G＝(100110)时满足电压矢量切换条件；

若s＝T5，当G＝(100101)时满足电压矢量切换条件；

若s＝T6，当G＝(101001)时满足电压矢量切换条件。