CN105577064A - 一种可减少转矩脉动的无刷双馈电机直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

一种可减少转矩脉动的无刷双馈电机直接转矩控制方法，其技术方案是，在无刷双馈电机控制系统中设置转速PI调节器、转矩PI控制器、磁链PI控制器、转矩观测器、磁链观测器、3/2坐标变换器、MT/αβ坐标变换器、空间电压矢量PWM发生器、增量编码器和电压电流传感器，在无刷双馈电机运行过程中，逆变器采用空间矢量调制方法进行控制。本发明利用PI控制器代替传统直接转矩控制方法所采用的双滞环控制器，利用空间矢量调制技术代替电压开关表合成得到任意大小和方向的电压矢量，由仿真结果可以看出，该方法能有效补偿当前转矩和磁链误差，减小电机的转矩脉动。

Description

一种可减少转矩脉动的无刷双馈电机直接转矩控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于空间矢量调制的无刷双馈电机直接转矩控制方法，属于控制技术领域。

背景技术

近年来，越来越多的场合开始应用无刷双馈电机进行变频调速控制。无刷双馈电机是近年来发展起来的一种新型电机，这种电机有两套三相对称定子绕组和一个转子绕组，其中一套定子绕组为功率绕组，另一套为控制绕组。无刷双馈电机的基本原理是经过特殊设计的转子使得两套定子绕组产生不同极对数的旋转磁场间接相互作用，并能对其相互作用进行控制以实现能量传递。它兼有异步电机和同步电机的共同优点,与普通异步电动机相比具有结构简单、运行可靠、所需变频器容量较小等特点。由于无刷双馈电机去掉了转子侧电刷，因此提高了电机的机械稳定性，降低了维修成本。

无刷双馈电机的控制方法主要有标量控制、矢量控制和直接转矩控制等方法。其中标量控制法通过控制无刷双馈电机控制绕组的电压幅值和频率大小，利用电机的稳态等效电路和电压方程实现，其算法简单，对控制器要求不高，但动态性能较差。矢量控制法是通过测量和控制电机的电流矢量，根据磁场定向原理分别对电机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电机转矩和转速的目的，该方法需要进行复杂的坐标变换，因此矢量控制结构复杂、计算量大、对参数变化敏感。直接转矩控制(DirectTorqueControl，DTC)是继矢量控制后发展起来得一种高性能的变频调速技术，具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点。但由于传统DTC采用双滞环控制器对转矩和磁链进行分别控制，因此在每个采样周期中仅有一个有效电压矢量起作用，无法实现对转矩和磁链误差的完全补偿，从而增加了转矩的脉动幅度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种可减少转矩脉动的无刷双馈电机直接转矩控制方法，以有效补偿当前转矩和磁链误差，减小转矩的脉动幅度。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种可减少转矩脉动的无刷双馈电机直接转矩控制方法，所述方法在无刷双馈电机控制系统中设置转速PI调节器、转矩PI控制器、磁链PI控制器、转矩观测器、磁链观测器、3/2坐标变换器、MT/αβ坐标变换器、空间电压矢量PWM发生器、增量编码器和电压电流传感器，在无刷双馈电机运行过程中，无刷双馈电机控制系统按如下方式运作：

a.给定转速n_ref与增量编码器测得的转子转速n_r相减得到的偏差信号送入转速PI调节器的输入端，转速PI调节器对该信号进行处理，得到给定转矩T_{e_ref}；

b.电压电流传感器将采集到的三相坐标下无刷双馈电机功率绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc和三相电流i_pa、i_pb、i_pc，以及控制绕组的三相电压u_ca、u_cb、u_cc和三相电流i_ca、i_cb、i_cc送到3/2坐标变换器的输入端，3/2坐标变换器根据转子转速n_r对这些信号进行坐标变换，得到转子速旋转坐标系下功率绕组电压的dq分量u_qp和u_dp、功率绕组电流的dq分量i_qp和i_dp、控制绕组电压的dq分量u_qc和u_dc、控制绕组电流的dq分量i_qc和i_dc，以及转子电流的dq分量i_qr和i_dr；

c.转矩观测器利用转子速旋转坐标系下功率绕组电流的dq分量i_qp和i_dp、控制绕组电流的dq分量i_qc和i_dc、转子电流的dq分量i_qr和i_dr计算出观测转矩T_e；

d.对控制绕组电压电流进行坐标变换后得到的αβ静止坐标系下的电压u_cα、u_cβ和电流i_cα、i_cβ，磁链观测器采用具有幅值反馈补偿的u-i积分模型进行计算，得到观测磁链Ψ_c；

e.观测磁链幅值ψ_c与给定磁链幅值ψ_{c_ref}比较后的磁链幅值偏差Δψ_c送入磁链PI控制器，磁链PI控制器对该信号进行计算，得到两相旋转坐标系下的磁链控制电压矢量u_cM；

f.观测转矩T_e与给定转矩T_{e_ref}比较后的转矩偏差ΔT_e送入转矩PI控制器，转矩PI控制器对该信号进行计算，得到两相旋转坐标系下的转矩控制电压矢量u_cT；

g.两相旋转坐标系下的磁链控制电压矢量u_cM和转矩控制电压矢量u_cT由MT/αβ坐标变换器转换成αβ静止坐标系下的电压矢量u_cα和u_cβ后送入空间电压矢量PWM发生器，空间电压矢量PWM发生器对u_cα和u_cβ进行处理，产生逆变器开关控制信号，与无刷双馈电机的控制绕组相连的逆变器利用空间电压矢量PWM发生器输出的开关控制信号对无刷双馈电机进行控制。

上述可减少转矩脉动的无刷双馈电机直接转矩控制方法，所述观测转矩T_e由下式计算：

T_e＝p_pM_pr(i_qpi_dr-i_dpi_qr)+p_cM_cr(i_qci_dr+i_dci_qr)

其中：p_p、p_c分别为功率绕组、控制绕组极对数；M_pr、M_cr分别为功率绕组、控制绕组与转子绕组之间的互感。

上述可减少转矩脉动的无刷双馈电机直接转矩控制方法，所述磁链控制电压矢量u_cM由下式计算：

其中：K_pψ、K_iψ、Δψ_c分别为磁链PI控制器比例系数、积分系数、磁链幅值偏差；

上述可减少转矩脉动的无刷双馈电机直接转矩控制方法，所述转矩控制矢量电压u_cT由下式计算：

其中：K_pT、K_iT、ΔT_e、ω_c、ψ_c分别为转矩PI控制器的比例系数、积分系数、转矩偏差、控制绕组磁链转速和控制绕组磁链幅值。

本发明利用PI控制器代替传统直接转矩控制方法所采用的双滞环控制器，利用空间矢量调制技术代替电压开关表合成得到任意大小和方向的电压矢量，由仿真结果可以看出，该方法能有效补偿当前转矩和磁链误差，减小电机的转矩脉动。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是本发明的控制系统原理示意图；

图2是本发明的无刷双馈电机控制系统在给定转速为552rpm(亚同步4Hz)、t＝0.5s转矩阶跃时的转速仿真结果；

图3和图4分别为无刷双馈电机直接转矩控制与改进直接转矩控制方法在给定转速为552rpm、t＝0.5s转矩阶跃时控制绕组磁链轨迹；

图5和图6分别为无刷双馈电机直接转矩控制与改进直接转矩控制方法在给定转速为552rpm、t＝0.5s转矩阶跃时的电磁转矩波形；

图7和图8分别为无刷双馈电机直接转矩控制与改进直接转矩控制方法在给定转速为552rpm、t＝0.5s转矩阶跃时的控制绕组A相电流波形。

文中和图中各符号为：BDFIG为无刷双馈电机，n_ref为给定转速，n_r为转子转速，T_{e_ref}为给定转矩，u_pa、u_pb、u_pc为三相坐标下无刷双馈电机功率绕组的三相电压，i_pa、i_pb、i_pc为三相坐标下无刷双馈电机功率绕组的三相电流，u_ca、u_cb、u_cc为三相坐标下无刷双馈电机控制绕组的三相电压，i_ca、i_cb、i_cc为三相坐标下无刷双馈电机控制绕组的三相电流，u_dp和u_qp为转子速旋转坐标系下功率绕组电压的dq分量，i_dp和i_qp为转子速旋转坐标系下功率绕组电流的dq分量，u_dc和u_qc为转子速旋转坐标系下控制绕组电压的dq分量，i_dc和i_qc为转子速旋转坐标系下控制绕组电流的dq分量，i_dr和i_qr为转子速旋转坐标系下转子电流的dq分量，T_e为观测转矩，u_cα、u_cβ为αβ静止坐标系下的控制绕组电压分量，i_cα、i_cβ为αβ静止坐标系下的控制绕组电流分量，ψ_{c_ref}为给定磁链幅值，ψ_c为观测磁链幅值，Δψ_c为磁链幅值偏差，u_cM为磁链控制电压矢量，T_{e_ref}为给定转矩，ΔT_e为转矩偏差，u_cT为转矩控制电压矢量，p_p、p_c分别为功率绕组、控制绕组极对数，M_pr、M_cr分别为功率绕组、控制绕组与转子绕组之间的互感，K_pψ、K_iψ分别为磁链PI控制器的比例系数和积分系数，K_pT、K_iT分别为转矩PI控制器的比例系数、积分系数，ω_c为控制绕组磁链转速，ψ_cα、ψ_cβ为定子磁链在αβ静止坐标系下的分量，为磁链位置角，R_c为控制绕组电阻，R_p为功率绕组电阻，R_r为转子绕组电阻，J为电机转动惯量，L_r为转子绕组自感。

具体实施方式

参看图1，本发明所采用的无刷双馈电机控制器主要包含速度PI调节器、转矩观测器、磁链观测器、转矩PI控制器、磁链PI控制器、3/2坐标变换器、MT/αβ坐标变换器器、空间电压矢量PWM发生器、增量编码器和电压电流传感器，电网与无刷双馈电机的功率绕组直接连接，并依次通过整流器、直流母线电容、逆变器与控制绕组相连；电压电流传感器信号经3/2变换器进行坐标变换后分别与磁链观测器、转矩观测器相连；磁链偏差信号与磁链PI控制器输入端相连；转矩偏差信号与转矩PI控制器输入端相连；磁链PI控制器输出、转矩PI控制器输出、磁链观测器磁链位置角输出与MT/αβ坐标变换器相连；MT/αβ坐标变换器输出与空间电压矢量PWM发生器相连；空间电压矢量PWM发生器输出与逆变器输入控制端相连；无刷双馈电机转子通过增量编码器与速度PI调节器、3/2变换器输入端相连。其中电压电流传感器用于采集功率绕组与控制绕组的电压电流信号；3/2变换器用于实现三相坐标系到转子速旋转坐标系坐标转换；磁链观测器用于控制绕组磁链观测；转矩观测器用于电机转矩观测；磁链PI控制器用于产生磁链控制电压矢量；转矩PI控制器用于产生转矩控制电压矢量；空间电压矢量PWM发生器用于产生逆变器开关控制信号；增量编码器用于采集电机转子转速。

转矩控制按如下步骤进行：

步骤一：根据给定转速n_ref与增量编码器测得的转子转速n_r计算偏差后通过转速PI调节器得到给定转矩T_{e_ref}；

步骤二：通过电压电流传感器采集三相坐标下的功率绕组、控制绕组电压电流u_pa、u_pb、u_pc、i_pa、i_pb、i_pc、u_ca、u_cb、u_cc、i_ca、i_cb、i_cc，这些信号与增量编码器测得的转子转速n_r经过3/2坐标变换后得到转子速旋转坐标系下电压电流u_qp、u_dp、i_qp、i_dp、u_qc、u_dc、i_qc、i_dc、i_qr和i_dr；

步骤三：由步骤二所得的功率绕组电流、控制绕组电流、转子电流i_qp、i_dp、i_qc、i_dc、i_qr和i_dr计算得到观测转矩T_e，所述观测转矩T_e由下式计算得到：

T_e＝p_pM_pr(i_qpi_dr-i_dpi_qr)+p_cM_cr(i_qci_dr+i_dci_qr)

其中：p_p、p_c分别为功率绕组、控制绕组极对数；M_pr、M_cr分别为功率绕组、控制绕组与转子绕组之间的互感；

步骤四：对控制绕组电压电流进行坐标变换后得到αβ静止坐标系下的电压电流u_cα、u_cβ、i_cα、i_cβ，磁链观测器采用具有幅值反馈补偿的u-i积分模型进行计算，得到观测磁链Ψ_c；根据u-i观测模型，定子磁链在αβ静止坐标系下的分量ψ_cα、ψ_cβ分别为：

ψ_cα＝∫(u_cα-i_cαR_c)dt

ψ_cβ＝∫(u_cβ-i_cβR_c)dt

定子磁链幅值为 ${\mathrm{\ψ}}_c=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{c\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{c\mathrm{\β}}^2}$

限幅器的输出表达式为：

$Z_L=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{{\mathrm{\&psi;}}_{c\mathrm{\&alpha;}}^2+{\mathrm{\&psi;}}_{c\mathrm{\&beta;}}^2},& \sqrt{{\mathrm{\&psi;}}_{c\mathrm{\&alpha;}}^2+{\mathrm{\&psi;}}_{c\mathrm{\&beta;}}^2}<0\\ L,& \sqrt{{\mathrm{\&psi;}}_{c\mathrm{\&alpha;}}^2+{\mathrm{\&psi;}}_{c\mathrm{\&beta;}}^2}\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

其中：Z_L为限幅器输出；ψ_cα、ψ_cβ分别为控制绕组磁链在静止坐标系下的αβ分量；L为限幅器幅值；R_c为控制绕组电阻。

步骤五：观测磁链幅值ψ_c与给定磁链幅值ψ_{c_ref}比较后的磁链幅值偏差Δψ_c经过磁链PI控制器得到两相旋转坐标系下的磁链控制电压矢量u_cM；磁链控制电压矢量u_cM计算如下：

$u_{cM}=(K_{p\mathrm{\&psi;}}+\frac{K_{i\mathrm{\&psi;}}}{s}){\mathrm{\&Delta;\&psi;}}_c$

其中：K_pψ、K_iψ、Δψ_c分别为磁链PI控制器比例系数、积分系数、磁链幅值偏差；

观测转矩T_e与给定转矩T_{e_ref}比较后的偏差ΔT_e经过转矩PI控制器得到两相旋转坐标系下的转矩控制电压矢量u_cT；转矩控制矢量电压u_cT计算如下：

$u_{cT}=(K_{pT}+\frac{K_{iT}}{s}){\mathrm{\&Delta;T}}_e+{\mathrm{\&omega;}}_c{\mathrm{\&psi;}}_c$

其中：K_pT、K_iT、ΔT_e、ω_c、ψ_c分别为转矩PI控制器的比例系数、积分系数、转矩偏差、控制绕组磁链转速和控制绕组磁链幅值。

步骤六：对两相旋转坐标系下的控制电压矢量u_cM、u_cT进行坐标变换后得到αβ静止坐标系下的电压矢量u_cα和u_cβ，并将其作为空间电压矢量PWM发生器的输入电压，产生逆变器的开关控制信号，并通过逆变器实现对无刷双馈电机的控制。

采用本发明构成的无刷双馈电机控制系统仿真结果如图2～图6所示。电机参数如下：功率绕组极对数为4，控制绕组极对数为1，功率绕组接220V/50Hz工频电源，电机参数：功率绕组自感L_sp＝0.0604H；控制绕组自感L_sc＝0.1307H；功率绕组与转子绕组互感M_pr＝0.0268H；控制绕组与转子绕组互感M_cr＝0.0279H；功率绕组电阻R_p＝0.401Ω；控制绕组电阻R_c＝0.5009Ω；转子绕组自感L_r＝0.0184H；转子绕组电阻R_r＝7.5353e-5Ω；电机转动惯量J＝0.8kg·m2；给定磁链幅值Ψ_{c_ref}＝0.85Wb。仿真时给定转速为552rpm，给定转矩初始值为0，t＝0.5s时转矩突变为30N·m，逆变器开关频率设置为5kHz，磁链观测器滤波截止频率设置为10rad/s，限幅器幅值设置为0.85Wb。

图2是本发明方法无刷双馈电机控制系统给定转速为552rpm(亚同步4Hz)的仿真结果，表明本发明的可行性。图3和图4分别为无刷双馈电机直接转矩控制与改进直接转矩控制方法给定转速为552rpm时控制绕组磁链轨迹，对比图3、图4可见本发明所采用方法控制绕组磁链脉动明显变小，磁链轨迹更加平滑；图5和图6分别为无刷双馈电机直接转矩控制与改进直接转矩控制方法给定转速为552rpm时的电磁转矩波形，对比图5、图6可见本发明所采用方法转矩脉动明显减小；图7和图8分别为无刷双馈电机直接转矩控制与改进直接转矩控制方法给定转速为552rpm时的控制绕组A相电流波形，对比图7、图8可见本发明所采用方法控制绕组电流比较平滑，脉动较小。

上述仿真结果表明本发明提出的无刷双馈电机控制方法的可行性，和直接转矩控制系统相比，输出电磁转矩脉动明显降低，磁链轨迹更趋近于圆形，控制绕组电流谐波明显减小，系统具有良好的动态和稳态性能。

Claims (4)

1.一种可减少转矩脉动的无刷双馈电机直接转矩控制方法，其特征是，所述方法在无刷双馈电机控制系统中设置转速PI调节器、转矩PI控制器、磁链PI控制器、转矩观测器、磁链观测器、3/2坐标变换器、MT/αβ坐标变换器、空间电压矢量PWM发生器、增量编码器和电压电流传感器，在无刷双馈电机运行过程中，无刷双馈电机控制系统按如下方式运作：

a.给定转速n_ref与增量编码器测得的转子转速n_r相减得到的偏差信号送入转速PI调节器的输入端，转速PI调节器对该信号进行处理，得到给定转矩T_{e_ref}；

b.电压电流传感器将采集到的三相坐标下无刷双馈电机功率绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc和三相电流i_pa、i_pb、i_pc，以及控制绕组的三相电压u_ca、u_cb、u_cc和三相电流i_ca、i_cb、i_cc送到3/2坐标变换器的输入端，3/2坐标变换器根据转子转速n_r对这些信号进行坐标变换，得到转子速旋转坐标系下功率绕组电压的dq分量u_qp和u_dp、功率绕组电流的dq分量i_qp和i_dp、控制绕组电压的dq分量u_qc和u_dc、控制绕组电流的dq分量i_qc和i_dc，以及转子电流的dq分量i_qr和i_dr；

c.转矩观测器利用转子速旋转坐标系下功率绕组电流的dq分量i_qp和i_dp、控制绕组电流的dq分量i_qc和i_dc、转子电流的dq分量i_qr和i_dr计算出观测转矩T_e；

d.对控制绕组电压电流进行坐标变换后得到的αβ静止坐标系下的电压u_cα、u_cβ和电流i_cα、i_cβ，磁链观测器采用具有幅值反馈补偿的u-i积分模型进行计算，得到观测磁链Ψ_c；

e.观测磁链幅值ψ_c与给定磁链幅值ψ_{c_ref}比较后的磁链幅值偏差Δψ_c送入磁链PI控制器，磁链PI控制器对该信号进行计算，得到两相旋转坐标系下的磁链控制电压矢量u_cM；

f.观测转矩T_e与给定转矩T_{e_ref}比较后的转矩偏差ΔT_e送入转矩PI控制器，转矩PI控制器对该信号进行计算，得到两相旋转坐标系下的转矩控制电压矢量u_cT；

g.两相旋转坐标系下的磁链控制电压矢量u_cM和转矩控制电压矢量u_cT由MT/αβ坐标变换器转换成αβ静止坐标系下的电压矢量u_cα和u_cβ后送入空间电压矢量PWM发生器，空间电压矢量PWM发生器对u_cα和u_cβ进行处理，产生逆变器开关控制信号，与无刷双馈电机的控制绕组相连的逆变器利用空间电压矢量PWM发生器输出的开关控制信号对无刷双馈电机进行控制。

2.根据权利要求1所述的可减少转矩脉动的无刷双馈电机直接转矩控制方法，其特征是，所述观测转矩T_e由下式计算：

T_e＝p_pM_pr(i_qpi_dr-i_dpi_qr)+p_cM_cr(i_qci_dr+i_dci_qr)

其中：p_p、p_c分别为功率绕组、控制绕组极对数；M_pr、M_cr分别为功率绕组、控制绕组与转子绕组之间的互感。

3.根据权利要求1或2所述的可减少转矩脉动的无刷双馈电机直接转矩控制方法，其特征是，所述磁链控制电压矢量u_cM由下式计算：

其中：K_pψ、K_iψ分别为磁链PI控制器的比例系数和积分系数。

4.根据权利要求3所述的可减少转矩脉动的无刷双馈电机直接转矩控制方法，其特征是，所述转矩控制矢量电压u_cT由下式计算：

其中：K_pT、K_iT、ΔT_e、ω_c、ψ_c分别为转矩PI控制器的比例系数、积分系数、转矩偏差、控制绕组磁链转速和控制绕组磁链幅值。