CN105610373B - 一种提高电机转矩性能的直接转矩控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高电机转矩性能的直接转矩控制系统及方法，包括转矩调节器、磁链调节器、转速调节器、扇区判断模块、电压矢量选择表生成模块、驱动信号生成系统、占空比计算模块、用于获取电机定子的磁链信息的磁链观测器、用于获取电机的电磁转矩信息的转矩观测器、以及用于获取电机输出轴转速的转速观测器。本发明能够准确有效的对电机进行控制。

Description

一种提高电机转矩性能的直接转矩控制系统及方法
技术领域
本发明属于电机的直接转矩控制技术领域，涉及一种提高电机转矩性能的直接转矩控制系统及方法。
背景技术
直接转矩控制(DTC)技术在发展过程中不断地进行优化和提高，但还没有完善，目前对该理论的研究仍然较多。它摒弃了矢量控制中解耦的思想，根据定子磁链的位置、定子磁链和转矩的误差，采用滞环比较器和开关逻辑表，直接生成作用于电机的定子电压矢量，驱动电机运行。具有对电机模型参数依赖程度小的优点，已成为交流传动的新热点，但它的缺点是磁链控制不对称、电流和转矩脉动较大等。为了克服传统DTC的缺点，已提出了很多方法，Lascu C等提出空间矢量调制(SVW)技术、J.-K.Kang和S.-K.Sul提出转矩脉动最小化方法、L.ROMERAL和A.ARIAS等提出模糊逻辑自适应方法、吴晓东和南余荣提出在一个周期使转矩平均与参考值逼近的方法，但这些方法的算法较复杂，依赖多项电机参数。目前的直接转矩控制方法，当考虑定子电阻压降的影响时，其区间选择不精确，定子磁链处于区段线附近时控制性能变差，但是没有考虑转矩增加的前提条件及磁链变化的临界条件，且转矩脉动虽有减小却不是很理想，因此不能准确有效的对电机进行控制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种提高电机转矩性能的直接转矩控制系统及方法，该系统及方法能够准确有效的对电机进行控制。
为达到上述目的，本发明所述的提高电机转矩性能的直接转矩控制系统包括转矩调节器、磁链调节器、转速调节器、扇区判断模块、电压矢量选择表生成模块、驱动信号生成系统、占空比计算模块、用于获取电机定子磁链信息的磁链观测器、用于获取电机电磁转矩信息的转矩观测器、以及用于获取电机输出轴转速的转速观测器；
转速观测器的输出端与转速调节器的输入端相连接，转矩观测器的输出端及转速调节器的输出端与转矩调节器的输入端相连接，磁链观测器的输出端与扇区判断模块的输入端、磁链调节器的输入端及占空比计算模块的输入端相连接，转矩调节器的输出端、扇区判断模块的输出端及磁链调节器的输出端均与电压矢量选择表生成模块的输入端相连接，占空比计算模块的输出端及电压矢量选择表生成模块的输出端均与驱动信号生成系统的输入端相连接，驱动信号生成系统的输出端与电机的控制端相连接。
本发明所述的提高电机转矩性能的直接转矩控制方法包括以下步骤：
转速观测器获取电机输出轴的转速信息，并将所述转速信息转发至转速调节器中，转速调节器根据所述转速信息及预设转速值得给定转矩值，并将所述给定转矩值转发至转矩调节器中，转矩观测器获取电机的电磁转矩信息，并将所述电磁转矩信息转发至转矩调节器中，转矩调节器根据所述电磁转矩信息及给定转矩值生成转矩控制信号，并将所述转矩控制信号转发至电压矢量选择表生成模块中；
磁链观测器获取电机的定子磁链信息，并将所述定子磁链信息转发至扇区判断模块、占空比计算模块及磁链调节器中，扇区判断模块根据所述定子磁链信息判断磁链所在扇区，并将得到的磁链所在扇区转发至电压矢量选择表生成模块中，占空比计算模块将所述定子磁链信息与预设的给定磁链幅值进行作差运算，并根据作差运算的结果及计算得到的最佳转矩误差值得转矩脉动最小时的占空比值，然后将转矩脉动最小时的占空比值转发至驱动信号生成系统中，磁链调节器将所述定子磁链信息与预设磁链幅值得磁链控制信号，并磁链控制信号转发至电压矢量选择表生成模块中，电压矢量选择表生成模块根据所述磁链控制信号、转矩控制信号及磁链所在扇区生成门信号，并将所述门信号转发至驱动信号生成系统中，驱动信号生成系统根据所述门信号及转矩脉动最小时的占空比值得驱动信号，并将所述驱动信号转发至电机的控制端，从而实现对电机转矩性能的直接转矩控制。
磁链观测器采用定子磁链的u-i模型检测定子电压及定子电流，然后根据定子电压及定子电流得定子磁链信息。
转速调节器根据所述转速信息及预设转速值进行PID运算，得给定转矩值。
磁链调节器将所述定子磁链信息与预设磁链幅值进行作差运算，并根据作差运算的结果生成磁链控制信号。
磁链控制信号的值为0或1，转矩控制信号的值为0或1。
扇区判断模块根据定子磁链信息将定子磁链投影到α-β坐标系下，并根据定子磁链在α-β坐标系下投影值的正负确定磁链所在扇区。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的提高电机转矩性能的直接转矩控制系统及方法在操作时，转速调节器根据检测的转速信息与预设转速值得给定转矩值，转矩调节器根据给定转矩值及检测得到的电磁转矩信息生成转矩控制信号，通过分析电压矢量对转矩的影响，从而充分考虑转矩增加的前提条件；另外，占空比计算模块根据给定磁链幅值及检测得到的定子磁链信息得到磁链控制信号，通过分析电压矢量对磁链的影响，从而充分考虑磁链变化的临界条件，进而优化了电压矢量选择表生成模块，占空比计算模块根据所述定子磁链信息得转矩脉动最小时的占空比值，从而得出恰当的电压矢量作用时间，进而提高对电机控制的准确性，加快系统响应的同时减小转矩和电流脉动。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为电机、2为转速调节器、3为转矩观测器、4为磁链观测器、5为转矩调节器、6为磁链调节器、7为扇区判断模块、8为电压矢量选择表生成模块、9为驱动信号生成系统、10为占空比计算模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的提高电机转矩性能的直接转矩控制系统包括转矩调节器5、磁链调节器6、转速调节器2、扇区判断模块7、电压矢量选择表生成模块8、驱动信号生成系统9、占空比计算模块10、用于获取电机1定子磁链信息的磁链观测器4、用于获取电机1电磁转矩信息的转矩观测器3、以及用于获取电机1输出轴转速的转速观测器；转速观测器的输出端与转速调节器2的输入端相连接，转矩观测器3的输出端及转速调节器2的输出端与转矩调节器5的输入端相连接，磁链观测器4的输出端与扇区判断模块7的输入端、磁链调节器6的输入端及占空比计算模块10的输入端相连接，转矩调节器5的输出端、扇区判断模块7的输出端及磁链调节器6的输出端均与电压矢量选择表生成模块8的输入端相连接，占空比计算模块10的输出端及电压矢量选择表生成模块8的输出端均与驱动信号生成系统9的输入端相连接，驱动信号生成系统9的输出端与电机1的控制端相连接。
本发明所述的提高电机转矩性能的直接转矩控制方法包括以下步骤：
转速观测器获取电机1输出轴的转速信息，并将所述转速信息转发至转速调节器2中，转速调节器2根据所述转速信息及预设转速值得给定转矩值，并将所述给定转矩值转发至转矩调节器5中，转矩观测器3获取电机1的电磁转矩信息，并将所述电磁转矩信息转发至转矩调节器5中，转矩调节器5根据所述电磁转矩信息及给定转矩值生成转矩控制信号，并将所述转矩控制信号转发至电压矢量选择表生成模块8中；
磁链观测器4获取电机1的定子磁链信息，并将所述定子磁链信息转发至扇区判断模块7、占空比计算模块10及磁链调节器6中，扇区判断模块7根据所述定子磁链信息判断磁链所在扇区，并将得到的磁链所在扇区转发至电压矢量选择表生成模块8中，占空比计算模块10将所述定子磁链信息与预设的给定磁链幅值进行作差运算，并根据作差运算的结果及计算得到的最佳转矩误差值得转矩脉动最小时的占空比值，然后将转矩脉动最小时的占空比值转发至驱动信号生成系统9中，磁链调节器6将所述定子磁链信息与预设磁链幅值得磁链控制信号，并磁链控制信号转发至电压矢量选择表生成模块8中，电压矢量选择表生成模块8根据所述磁链控制信号、转矩控制信号及磁链所在扇区生成门信号，并将所述门信号转发至驱动信号生成系统9中，驱动信号生成系统9根据所述门信号及转矩脉动最小时的占空比值得驱动信号，并将所述驱动信号转发至电机1的控制端，从而实现对电机1转矩性能的直接转矩控制。
需要说明的是，磁链观测器4采用定子磁链的u-i模型检测定子电压及定子电流，然后根据定子电压及定子电流得定子磁链信息；转速调节器2根据所述转速信息及预设转速值进行PID运算，得给定转矩值；磁链调节器6将所述定子磁链信息与预设磁链幅值进行作差运算，并根据作差运算的结果生成磁链控制信号；磁链控制信号的值为0或1，转矩控制信号的值为0或1；扇区判断模块7根据定子磁链信息将定子磁链投影到α-β坐标系下，并根据定子磁链在α-β坐标系下投影值的正负确定磁链所在扇区。
另外，占空比计算模块10中通过转矩斜率公式推导出转矩脉动最小条件，得到转矩脉动全局最小策略条件下的最佳转矩误差值，再根据定子磁链信息与预设的给定磁链幅值作差运算结果与计算得到的最佳转矩误差值得转矩脉动最小时的占空比值，从而使得电机1产生的磁链更光滑，更接近圆形。
占空比计算模块10是在转矩脉动全局最小条件下得到的，转矩脉动全局最小策略分为两个步骤：首先得到含两个未知数的转矩纹波平方的方程式；然后对两个未知数进行二次求导，得出转矩脉动最小条件下的最佳转矩误差值，然后通过得到的最佳转矩误差值代替原有占空比中的转矩误差值，从而得到改进的占空比计算方法。
设us为定子电压空间矢量；is为定子电流空间矢量；ir为转子电流空间矢量；为定子磁链空间矢量；为转子磁链空间矢量；RS为定子电阻；Rr为转子电阻；Lσ为漏电感；ω为电角速度；np为电机极对数；θ为磁通角(rad)；ES为定子反电势矢量。
根据转矩公式及异步电动机空间矢量等效图，得
当转矩增加时，由上式得：
np|Ψs||us|sinθ2>npw|Ψs|2+RmTe
当Ψs和us的夹角大于θ2时,才能使转矩增加，角度θ2表示为：
定子电压矢量和反电势矢量的夹角θ1为
θ1＝arcsin(|RSis|/|us|)
以Ψs+1＝Ψs时，电压矢量与磁链的夹角作为电压矢量对转矩和磁链影响范围的临界划分点。
当|Ψs+1|＝|Ψs|时，设此时Δψs与磁链Ψs的夹角为θ3，即ES与Ψs的夹角为θ3，电压矢量us与磁链Ψs的夹角为(θ3-θ1)，根据余弦定理，得
得出改进的电压矢量对定子磁链和转矩的影响范围，其中，电压矢量对磁链和转矩的作用如表1所示：
表1
十二区段磁链闭环直接转矩控制是将传统的六扇区段再划分，每扇区段为30°，并且以(-15°，15°)为第一扇区段，控制定子磁链按逆时针方向旋转。采用十二扇区段控制，增加和减小磁链的两电压矢量对磁链幅值的影响，大大减小转矩的脉动，根据以上电压矢量对磁链和转矩的影响范围，可以分析出本发明提出的电压矢量选择表模块8。

Claims (1)

1.一种提高电机转矩性能的直接转矩控制方法，其特征在于，基于提高电机转矩性能的直接转矩控制系统，所述提高电机转矩性能的直接转矩控制系统包括转矩调节器(5)、磁链调节器(6)、转速调节器(2)、扇区判断模块(7)、电压矢量选择表生成模块(8)、驱动信号生成系统(9)、占空比计算模块(10)、用于获取电机(1)定子磁链信息的磁链观测器(4)、用于获取电机(1)电磁转矩信息的转矩观测器(3)、以及用于获取电机(1)输出轴转速的转速观测器；
转速观测器的输出端与转速调节器(2)的输入端相连接，转矩观测器(3)的输出端及转速调节器(2)的输出端与转矩调节器(5)的输入端相连接，磁链观测器(4)的输出端与扇区判断模块(7)的输入端、磁链调节器(6)的输入端及占空比计算模块(10)的输入端相连接，转矩调节器(5)的输出端、扇区判断模块(7)的输出端及磁链调节器(6)的输出端均与电压矢量选择表生成模块(8)的输入端相连接，占空比计算模块(10)的输出端及电压矢量选择表生成模块(8)的输出端均与驱动信号生成系统(9)的输入端相连接，驱动信号生成系统(9)的输出端与电机(1)的控制端相连接；
包括以下步骤：
转速观测器获取电机(1)输出轴的转速信息，并将所述转速信息转发至转速调节器(2)中，转速调节器(2)根据所述转速信息及预设转速值得给定转矩值，并将所述给定转矩值转发至转矩调节器(5)中，转矩观测器(3)获取电机(1)的电磁转矩信息，并将所述电磁转矩信息转发至转矩调节器(5)中，转矩调节器(5)根据所述电磁转矩信息及给定转矩值生成转矩控制信号，并将所述转矩控制信号转发至电压矢量选择表生成模块(8)中；
磁链观测器(4)获取电机(1)的定子磁链信息，并将所述定子磁链信息转发至扇区判断模块(7)、占空比计算模块(10)及磁链调节器(6)中，扇区判断模块(7)根据所述定子磁链信息判断磁链所在扇区，并将得到的磁链所在扇区转发至电压矢量选择表生成模块(8)中，占空比计算模块(10)将所述定子磁链信息与预设的给定磁链幅值进行作差运算，并根据作差运算的结果及计算得到的最佳转矩误差值得转矩脉动最小时的占空比值，然后将转矩脉动最小时的占空比值转发至驱动信号生成系统(9)中，磁链调节器(6)将所述定子磁链信息与预设磁链幅值得磁链控制信号，并将磁链控制信号转发至电压矢量选择表生成模块(8)中，电压矢量选择表生成模块(8)根据所述磁链控制信号、转矩控制信号及磁链所在扇区生成门信号，并将所述门信号转发至驱动信号生成系统(9)中，驱动信号生成系统(9)根据所述门信号及转矩脉动最小时的占空比值得驱动信号，并将所述驱动信号转发至电机(1)的控制端，从而实现对电机(1)转矩性能的直接转矩控制；
磁链观测器(4)采用定子磁链的u-i模型检测定子电压及定子电流，然后根据定子电压及定子电流得定子磁链信息；
转速调节器(2)根据所述转速信息及预设转速值进行PID运算，得给定转矩值；
磁链调节器(6)将所述定子磁链信息与预设磁链幅值进行作差运算，并根据作差运算的结果生成磁链控制信号；
磁链控制信号的值为0或1，转矩控制信号的值为0或1；
扇区判断模块(7)根据定子磁链信息将定子磁链投影到α-β坐标系下，并根据定子磁链在α-β坐标系下投影值的正负确定磁链所在扇区；
设us为定子电压空间矢量；is为定子电流空间矢量；ir为转子电流空间矢量；为定子磁链空间矢量；为转子磁链空间矢量；RS为定子电阻；Rr为转子电阻；Lσ为漏电感；ω为电角速度；np为电机极对数；θ为磁通角(rad)；ES为定子反电势矢量；
根据转矩公式及异步电动机空间矢量等效图，得
当转矩增加时，由上式得：
np|Ψs||us|sinθ2>npw|Ψs|2+RmTe
当Ψs和us的夹角大于θ2时,才能使转矩增加，角度θ2表示为：
定子电压矢量和反电势矢量的夹角θ1为
θ1＝arcsin(|RSis|/|us|)
以Ψs+1＝Ψs时，电压矢量与磁链的夹角作为电压矢量对转矩和磁链影响范围的临界划分点；
当|Ψs+1|＝|Ψs|时，设此时Δψs与磁链Ψs的夹角为θ3，即ES与Ψs的夹角为θ3，电压矢量us与磁链Ψs的夹角为(θ3-θ1)，根据余弦定理，得
得出改进的电压矢量对定子磁链和转矩的影响范围。
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