CN105471329B - 交流同步电机系统转矩冲量平衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交流同步电机系统转矩冲量平衡控制方法，首先，预先设定电机的动态转速阈值、目标转速，获取电机的实际转速，根据电机电枢电流以及转子的位置和速度信号计算实时电磁转矩和负载转矩大小；然后，判断电机实际转速与目标转速的差值的绝对值是否大于预先设定的电机动态转速阈值，如果大于或者等于转速阈值，系统工作于转矩冲量平衡控制方式，使得电机转速经过一次降速、一次升速的过程即可收敛，转速收敛时间最短，转速动态纹波最小，该方法转速收敛时间最短，转速动态纹波最小，使得任意负载突变的转速收敛时间和转速动态纹波不受转速环PI参数的影响，使得调速系统具有最优的动态性能。
Description
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系统转矩冲量平衡控制方法。
背景技术
交流同步电机特别是稀土永磁电机因其具有结构简单，运行可靠；体积小，重量轻，损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多样等显著优点。因而应用范围极为广泛，遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。随着永磁同步电机在各个领域得到广泛的应用，对永磁同步电机控制系统的控制性能也有了越来越高的要求，希望控制系统能有较快的动态性能与良好的稳态性能。目前永磁同步电机基本的控制方式有两种，磁场定向矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC)。矢量控制通过矢量变换实现交流同步电机的磁通与转矩的解耦控制，使交流同步电机的控制类似于直流电机，从而提高交流同步电机控制性能。矢量控制实现了对电磁转矩的线性控制，但是由于电流环PI参数的影响，使得电磁转矩的动态性能受到影响。直接转矩控制采用滞环控制，实现了对电磁转矩的快速控制。
然而，不管是直接转矩控制还是矢量控制，转速外环的动态性能仍然受到转速环PI参数的影响，不同的PI参数将会使得动态过程中转速的纹波大小和转速收敛时间发生变化。因此，如何在转速变化过程中，计算出优化的电压矢量及其作用时间，使得电机动态过程中转速的纹波最小，转速收敛时间最短，是提高调速系统目标控制量(转速)的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：本发明所要解决的技术问题是提出一种交流同步电机系统转矩冲量平衡控制方法，解决了现有技术中转速环PI调节器在动态过程中选取的矢量及矢量的作用时间计算不精确造成静态误差或动态滞后、超调等问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
交流同步电机系统转矩冲量平衡控制方法，包括如下步骤：
步骤1、预先设定电机的动态转速阈值、目标转速，获取电机的实际转速，根据电机电枢电流以及转子的位置和速度信号计算实时电磁转矩和负载转矩大小；
步骤2、电机突加负载时，判断电机实际转速与目标转速的差值的绝对值是否大于预先设定的电机动态转速阈值，如果大于或者等于转速阈值，执行步骤3，否则，交流同步电机工作于直接转矩控制模式；
步骤3、对电机的实际转速求微分，得到电机实际转速的微分值；
步骤4、电磁转矩增加过程中，分别对电磁转矩和负载转矩对时间进行积分，计算电磁转矩冲量S1和负载转矩冲量S3；
步骤5、在电磁转矩下降过程中，分别对电磁转矩和负载转矩对时间进行积分，计算电磁转矩冲量S2和负载转矩冲量S4；
步骤6、计算S1+S2和S3+S4的值，当S1+S2<S3+S4且电机实际转速的微分值小于零时，向电机发送前进矢量；当S1+S2<S3+S4且电机实际转速的微分值大于零时的某一时刻，向电机发送零矢量，前进矢量和零矢量的切换时刻满足只需切换一次即可使电机进入稳态；
步骤7、判断S1+S2是否等于S3+S4是否相等，如果相等，电机达到稳态，切换为直接转矩控制模式，否则，重复执行步骤3至步骤7。
电机突加负载过程中发送前进矢量的时刻t0和零矢量时刻t2计算如下：
其中，Rs为电枢绕组电阻，ψf为永磁磁链，ωe为电机同步电角频率，Ls为电枢绕组电感，ud为电机电枢绕组的d轴电压，uq为电机电枢绕组的q轴电压，电机实际转速的微分值为零的时刻为t1，
突加负载情况下,若减小电磁转矩时,选择发送后退矢量,那么电机动态过程中发送前进矢量的时刻t0和后退矢量时刻t2计算公式如下:
突卸负载时,电机动态过程中发送零矢量的时刻t0和前进矢量的时刻t2计算公式如下:
突卸负载情况下,若减小电磁转矩时,选择发送后退矢量,电机动态过程中发送后退矢量的时刻t0和前进矢量的时刻t2计算公式如下:
所述电机的负载转矩可以由转矩测试仪获取或者由如下公式求取：
其中，Pr为电机的极对数，ψpm为电机的励磁磁链幅值，iq为电机的实际转矩电流，J为电机的转动惯量，D为电机的阻尼系数，ω为电机的机械角频率。
所述交流同步电机系统包括交流电动机、三相全桥逆变器、二极管不控整流桥、变压器、滤波电容、电压传感器、绕组电流传感器、电机转子位置传感器，其中，滤波电容、二极管不控整流桥、变压器、交流电源组成一个直流电压源，为系统供应直流母线电压。
所述交流同步电机的电机绕组母线端连接电压传感器，每相均连接绕组电流传感器，电机转子转轴设置用于检测转子位置的转子位置传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
转矩冲量平衡控制策略在电机负载转矩阶跃变化时，计算电磁转矩冲量和负载转矩冲量平衡的时刻，从而控制前进矢量和零矢量的作用时间，使得电机转速经过一次降速、一次升速的过程即可收敛，转速收敛时间最短，转速动态纹波最小，使得任意负载突变的转速收敛时间和转速动态纹波不受转速环PI参数的影响，使得调速系统具有最优的动态性能。
附图说明
图1转矩冲量平衡控制框图。
图2转矩冲量平衡示意图。
图3电流斜率示意图。
具体实施方式
下面对本发明的结构及工作过程作进一步说明：
如图1、图2、图3所示，直流电源为三相全桥逆变器提供母线电压，三相全桥逆变器的三个桥臂中点分别连接电机的A、B、C三相电枢绕组，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θr，采用微分环节对电机的转子位置信号θr进行求微分，获得电机的实际转子同步电角频率ωe，电机的期望转子同步角频率设定为与ωe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Udc，利用Udc和三相全桥逆变器的占空比Da，Db，Dc获得电机的三相定子电压:
三相全桥逆变器的占空比Da，Db，Dc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，Da＝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，Da＝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，Db＝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，Db＝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，Dc＝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，Dc＝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ia，ib，ic，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，Pr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kθ＝1，
当时，kθ＝2，
当时，kθ＝3，
当时，kθ＝4，
当时，kθ＝5，
当时，kθ＝6，
当时，kθ＝1，
利用电机的期望电磁转矩与电机的实际电磁转矩Te作差，
当该差值大于等于0，转矩信号kT＝1，
当该差值小于等于0，转矩信号kT＝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ψs作差，
当该差值大于等于0，磁链信号kψ＝1，
当该差值小于等于0，磁链信号kψ＝0，
根据区间信号kθ、转矩信号kT和磁链信号kψ，根据开关状态表，可以确定三相全桥逆变器的占空比Da，Db，Dc，利用开关状态表确定占空比的步骤如下：
当kθ＝1，kT＝1，kψ＝1时，Da＝1，Db＝1，Dc＝0，
当kθ＝1，kT＝1，kψ＝0时，Da＝0，Db＝1，Dc＝0，
当kθ＝1，kT＝0，kψ＝1时，Da＝1，Db＝1，Dc＝1，
当kθ＝1，kT＝0，kψ＝0时，Da＝1，Db＝1，Dc＝1，
当kθ＝2，kT＝1，kψ＝1时，Da＝0，Db＝1，Dc＝0，
当kθ＝2，kT＝1，kψ＝0时，Da＝0，Db＝1，Dc＝1，
当kθ＝2，kT＝0，kψ＝1时，Da＝1，Db＝1，Dc＝1，
当kθ＝2，kT＝0，kψ＝0时，Da＝1，Db＝1，Dc＝1，
当kθ＝3，kT＝1，kψ＝1时，Da＝0，Db＝1，Dc＝1，
当kθ＝3，kT＝1，kψ＝0时，Da＝0，Db＝0，Dc＝1，
当kθ＝3，kT＝0，kψ＝1时，Da＝1，Db＝1，Dc＝1，
当kθ＝3，kT＝0，kψ＝0时，Da＝1，Db＝1，Dc＝1，
当kθ＝4，kT＝1，kψ＝1时，Da＝0，Db＝0，Dc＝1，
当kθ＝4，kT＝1，kψ＝0时，Da＝1，Db＝0，Dc＝1，
当kθ＝4，kT＝0，kψ＝1时，Da＝1，Db＝1，Dc＝1，
当kθ＝4，kT＝0，kψ＝0时，Da＝1，Db＝1，Dc＝1，
当kθ＝5，kT＝1，kψ＝1时，Da＝1，Db＝0，Dc＝1，
当kθ＝5，kT＝1，kψ＝0时，Da＝1，Db＝0，Dc＝0，
当kθ＝5，kT＝0，kψ＝1时，Da＝1，Db＝1，Dc＝1，
当kθ＝5，kT＝0，kψ＝0时，Da＝1，Db＝1，Dc＝1，
当kθ＝6，kT＝1，kψ＝1时，Da＝1，Db＝0，Dc＝0，
当kθ＝6，kT＝1，kψ＝0时，Da＝1，Db＝1，Dc＝0，
当kθ＝6，kT＝0，kψ＝1时，Da＝1，Db＝1，Dc＝1，
当kθ＝6，kT＝0，kψ＝0时，Da＝1，Db＝1，Dc＝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,
当电机的负载发生突加时，设定电机的动态转速阈值、电机的期望转子同步角频率设定为通过与电机转子同轴安装的电机位置传感器得到电机的获得电机的实际转子同步电角频率ωe，得到转速差值当小于转速阈值或者系统处于稳态时，电机采用如上的直接转矩控制。
当电机的负载发生突加时，设定电机的动态转速阈值、电机的期望转子同步角频率设定为通过与电机转子同轴安装的电机位置传感器得到电机的获得电机的实际转子同步电角频率ωe，得到转速差值当大于或者等于转速阈值，电机采用转矩冲量平衡控制，过程如下：三相全桥逆变器的电压矢量按照以下方法确定，
id为电机电枢绕组的d轴电流，iq为电机电枢绕组的q轴电流，ud为电机电枢绕组的d轴电压，uq为电机电枢绕组的q轴电压，Ld为电机电枢绕组的d轴电感，Lq为电机电枢绕组的q轴电感，Rs为电枢绕组电阻，ψf为永磁磁链，ωe为电机同步电角频率,
根据(1)和式(2)得到发送前进矢量电流二阶微分方程：
求解方程(3)，得到：
其中，
根据(7)和式(8)得到发送零矢量电流二阶微分方程：
求解方程(12)，得到：
其中，id0和iq0分别为开始发送零矢量时刻d轴和q轴的电流值。
可以看到，在电磁转矩上升和下降区域电流iq的表达式是一个衰减的指数函数与一个正弦函数相乘。正弦函数在上升(-60°～60°)和下降区域(120°～240°)内线性程度很高，而指数函数在衰减之前线性程度也很高，这段时间内的电流变化曲线可以近似的看成一条直线，用直线进行代替。
为了得到电流曲线在上升和下降区域内的代替直线的斜率，令iq1＝m1·t，iq2＝m2·t为电流上升和下降的表达式，m1、m2为相对应的斜率，根据式(7)-(14)，得到：
开始发送前进矢量时刻为t0，负载转矩与电磁转矩相等时刻为t1，开始发送零矢量时刻为t2，负载转矩与电磁转矩再次相等时为t3，
在t0到t1的时间段内，对m1进行二重积分，得到A1：
在t1到t2的时间段内，对m1进行二重积分，得到A2：
在t2到t3的时间段内，对m2进行二重积分，得到A3：
在电磁转矩增加过程中，分别对电磁转矩和负载转矩对时间进行积分，计算电磁转矩冲量S1和负载转矩冲量S3，在电磁转矩下降过程中，分别对电磁转矩和负载转矩对时间进行积分，计算电磁转矩冲量S2和负载转矩冲量S4，当S1+S2＝S3+S4时：
A1＝A2+A3 (19)
即：
t0时刻电机开始动态响应，对-Rsψfωe进行二重积分，在t1时刻对Lsωeud-Rsuq进行二重积分，发送前进矢量。之后某一时刻两个二重积分值相等，该时刻即为t2，此后发送零矢量，电磁转矩开始减小，在t3时刻等于新的负载转矩时，转速也恢复到给定转速，此时系统达到稳态。
突加负载情况下,若减小电磁转矩时,选择发送后退矢量,那么计算公式如下:
t0时刻电机开始动态响应，对(-Rsuq+Lsωeud-ωeψfRs)进行二重积分，在t1时刻对2(Lsωeud-Rsuq)进行二重积分，发送前进矢量。之后某一时刻两个二重积分值相等，该时刻即为t2，此后发送后退矢量，电磁转矩开始减小，在t3时刻等于新的负载转矩时，转速也恢复到给定转速，此时系统达到稳态。
以上情况是突加负载,突卸负载时,计算公式如下:
t0时刻电机开始动态响应，对ωeψfRs+Lsωeud-Rsuq进行二重积分，在t1时刻对Lsωeud-Rsuq进行二重积分，发送零矢量。之后某一时刻两个二重积分值相等，该时刻即为t2，此后发送前景矢量，电磁转矩开始减小，在t3时刻等于新的负载转矩时，转速也恢复到给定转速，此时系统达到稳态。
突卸负载情况下,若减小电磁转矩时,选择发送后退矢量,那么计算公式如下:
t0时刻电机开始动态响应，对(-Rsuq+Lsωeud+ωeψfRs)进行二重积分，在t1时刻对2(Lsωeud-Rsuq)进行二重积分，发送后退矢量。之后某一时刻两个二重积分值相等，该时刻即为t2，此后发送前进矢量，电磁转矩开始减小，在t3时刻等于新的负载转矩时，转速也恢复到给定转速，此时系统达到稳态。
在负载突变的过程中，发送前进矢量、零矢量与后退矢量的时间得到精确计算，使得电机转速在经过一次降速、一次升速过程即可恢复到稳定转速，转速收敛时间短，动态纹波小。
本发明可以应用到所有空载反电势为正弦波形的同步电机，包括永磁同步电机、电励磁同步电机、混合励磁同步电机、永磁磁通切换电机、电励磁磁通切换电机、混合励磁磁通切换电机、斜槽转子永磁双凸极电机、斜槽转子电励磁双凸极电机、斜槽转子混合励磁双凸极电机、永磁磁通翻转电机、电励磁磁通翻转电机、混合励磁磁通翻转电机等。
Claims (5)
1.交流同步电机系统转矩冲量平衡控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、预先设定电机的动态转速阈值、目标转速，获取电机的实际转速，根据电机电枢电流以及转子的位置和速度信号计算实时电磁转矩和负载转矩大小；
步骤2、电机突加负载时，判断电机实际转速与目标转速的差值的绝对值是否大于预先设定的电机动态转速阈值，如果大于或者等于转速阈值，执行步骤3，否则，交流同步电机工作于直接转矩控制模式；
步骤3、对电机的实际转速求微分，得到电机实际转速的微分值；
步骤4、电磁转矩增加过程中，分别对电磁转矩和负载转矩对时间进行积分，计算电磁转矩冲量S1和负载转矩冲量S3；
步骤5、在电磁转矩下降过程中，分别对电磁转矩和负载转矩对时间进行积分，计算电磁转矩冲量S2和负载转矩冲量S4；
步骤6、计算S1+S2和S3+S4的值，当S1+S2<S3+S4且电机实际转速的微分值小于零时，向电机发送前进矢量；当S1+S2<S3+S4且电机实际转速的微分值大于零时的某一时刻，向电机发送零矢量，前进矢量和零矢量的切换时刻满足只需切换一次即能够使电机进入稳态；
步骤7、判断S1+S2与S3+S4是否相等，如果相等，电机达到稳态，切换为直接转矩控制模式，否则，重复执行步骤3至步骤7。
2.根据权利要求1所述的交流同步电机系统转矩冲量平衡控制方法，其特征在于：电机突加负载过程中发送前进矢量的时刻t0和零矢量时刻t2计算如下：
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其中，Rs为电枢绕组电阻，ψf为永磁磁链，ωe为电机同步电角频率，Ls为电枢绕组电感，ud为电机电枢绕组的d轴电压，uq为电机电枢绕组的q轴电压，电机实际转速的微分值为零的时刻为t1，
突加负载情况下，若减小电磁转矩时，选择发送后退矢量，那么电机动态过程中发送前进矢量的时刻t0和后退矢量时刻t2计算公式如下：
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突卸负载时，电机动态过程中发送零矢量的时刻t0和前进矢量的时刻t2计算公式如下：
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突卸负载情况下，若减小电磁转矩时，选择发送后退矢量，电机动态过程中发送后退矢量的时刻t0和前进矢量的时刻t2计算公式如下：
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3.根据权利要求1所述的交流同步电机系统转矩冲量平衡控制方法，其特征在于：所述电机的负载转矩能够由转矩测试仪获取或者由如下公式求取：
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其中，Pr为电机的极对数，ψpm为电机的励磁磁链幅值，iq为电机的实际转矩电流，J为电机的转动惯量，D为电机的阻尼系数，ω为电机的机械角频率。
4.根据权利要求1所述的交流同步电机系统转矩冲量平衡控制方法，其特征在于：所述交流同步电机系统包括交流电动机、三相全桥逆变器、二极管、不控整流桥、变压器、滤波电容、电压传感器、绕组电流传感器、电机转子位置传感器，其中，滤波电容、二极管、不控整流桥、变压器、交流电源组成一个直流电压源，为系统供应直流母线电压。
5.根据权利要求1所述的交流同步电机系统转矩冲量平衡控制方法，其特征在于：
所述交流同步电机的电机绕组母线端连接电压传感器，每相均连接绕组电流传感器，电机转子转轴设置用于检测转子位置的转子位置传感器。
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