CN106788094B - 一种抑制直流侧电容电压波动的直接转矩控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制直流侧两电容电压波动的直接转矩控制方法，针对故障容错拓扑八开关三相逆变器，分析得出影响电机定子磁链、电磁转矩以及直流侧两电容电压大小瞬时变化最主要因素是该时刻所施加的基本电压矢量，通过具体分析在不同扇区内，施加各个基本电压矢量对电机定子磁链、电磁转矩以及直流侧两电容电压大小变化的影响，采用磁链、转矩和电容电压三个滞环调节器，设计开关表选择合适的电压矢量作用，完成闭环传动系统直接转矩控制。本发明具有良好的控制性能，并很好的抑制了直流侧两电容电压的波动，基本保证了中点电位的平衡。
Description
技术领域
本发明涉及逆变器-电机传动系统控制技术领域，具体为一种抑制直流侧电容电压波动的直接转矩控制方法。
背景技术
三电平中点箝位型逆变器拓扑作为一直以来研究的热点，在其调制策略、控制方法及中点电位平衡等方面已取得丰硕的研究成果。为获得更高的可靠性，就要求逆变器具有更强的故障容错能力，使系统在发生故障时依然能够稳定运行。因此三电平中点箝位型逆变器众多故障容错重构拓扑中一种低成本的合理选择——八开关三相逆变器也越来越多的受到广大研究学者的关注，其拓扑结构如附图1所示。
直接转矩控制是迄今为止交流传动系统中除矢量控制策略以外的另一种被广泛应用的高性能控制策略。与矢量控制不同，直接转矩控制不需要进行复杂的坐标变换与矢量解耦，也省略了脉宽调制的部分，直接通过滞环调节器选择合适的矢量来实现对电机磁链和转矩的独立控制。它不仅能获得快速的动态响应，也能够克服对电机转子参数的依赖，并且控制系统结构清晰简单。
目前已有相关文章对八开关三相逆变器这种新型故障容错拓扑的调制策略与控制算法展开研究。为提高直流电压利用率，提出了基于叠加原理的空间矢量脉宽调制过调制算法，推导了全调制度范围内的空间矢量脉宽调制算法及其等效载波脉宽调制算法，并提出了一种可以在低频运行时保证输出三相电流平衡的载波脉宽调制算法，但并未考虑对直流侧电容电压波动的抑制。另外也将直接转矩控制策略应用于八开关三相逆变器-感应电机传动系统，但文中所提的三电平容错拓扑的直接转矩控制算法仅采用了6个小矢量作用，通过转矩、磁链滞环实现传统直接转矩控制，并没有考虑直流侧中点电位不平衡的问题。
综上上述，现有八开关三相逆变器的调制与控制算法存在的不足是：均未考虑三电平结构固有的直流侧中点电位不平衡的问题，没有采用相应的控制算法对八开关三相逆变器直流侧两电容电压的波动进行抑制。
发明内容
鉴于现有技术的如上不足，本发明的目的是提供一种能够抑制直流侧电容电压波动的八开关三相逆变器-感应电机传动系统直接转矩控制方法，通过采用该闭环控制算法，可以实现对电机磁链和转矩进行精确控制的同时很好的抑制直流侧两电容电压的波动，以达到更加优良的控制效果。技术方案如下：
一种抑制直流侧电容电压波动的直接转矩控制方法，其特征在于，在八开关三相逆变器拓扑的情况下，所述方法包括：
A：分析得到影响电机定子磁链、电磁转矩以及直流侧两电容电压Uc1和Uc2变化的主要因素为基本电压矢量；
B：分析施加不同的基本电压矢量时，电机定子磁链、电磁转矩、直流侧两电容电压Uc1和Uc2大小变化情况：
将各个基本电压矢量分解为沿磁链矢量方向的分量和垂直于磁链矢量方向的分量，
若基本电压矢量沿磁链矢量方向上的分量与磁链矢量同向，则该基本电压矢量使磁链幅值增大，若其与磁链矢量反向，则该基本电压矢量使磁链幅值减小；
若基本电压矢量垂直于磁链矢量方向的分量与电机旋转方向同向，则该基本电压矢量使电磁转矩增大，若其与电机旋转方向反向，则该基本电压矢量使电磁转矩减小；
若基本电压矢量位于静止两相坐标平面的右半平面，则该基本电压矢量使Uc1增大Uc2减小；若其位于左半平面，则该基本电压矢量使Uc1减小Uc2增大；
C：根据上述分析，采用磁链滞环调节器、转矩滞环调节器和电容电压滞环调节器，设计矢量选择开关表，实现对八开关三相逆变器-感应电机传动系统闭环直接转矩控制：
若磁链滞环调节器输出为1，则需施加使磁链幅值增大的电压矢量，若其输出为0，则需施加使磁链幅值减小的电压矢量；
若转矩滞环调节器输出为1，则需施加使转矩增大的电压矢量，若其输出为-1，则需施加使转矩减小的电压矢量，若其输出为0表示需施加零电压矢量；
若电容电压滞环调节器输出为1，则需施加使Uc1减小Uc2增大的电压矢量，若其输出为0，则需施加使Uc1增大Uc2减小的电压矢量。
进一步的，分析影响电机定子磁链、电磁转矩变化的主要因素的方法为：根据三相感应电机数学模型，推导了电机定子磁链与电磁转矩变化率公式：
其中：ψs表示定子磁链，us表示基本电压矢量，Te表示电磁转矩，np表示电机的极对数，ψr表示转子磁链，Ls、Lr、Lm分别表示定子电感、转子电感、定转子互感，Rs表示定子电阻，Rr表示转子电阻，ωr表示转子转速；忽略定子电阻压降的影响，并将Te、ψs、ψr及ωr在一个采样周期内相对于施加的电压矢量us的变化忽略不计，则由上述两式可得，影响电机定子磁链和转矩瞬时变化的最主要因素是该时刻所施加的基本电压矢量。
更进一步的，所述影响直流侧两电容电压Uc1和Uc2变化的主要因素的方法为：在八开关三相逆变器拓扑中，由于施加不同电压矢量时，对应的三相桥臂的开关状态将导致三相负载的不同连接方式，因此产生不同的中点电流，且中点电流表示为：
Io＝Ia+(1-|Sb|)Ib+(1-|Sc|)Ic
其中，Ia、Ib、Ic表示电机的a、b、c三相电流；Sb，Sc表示开关函数，当b相桥臂上面两开关管Tb1和Tb2或c相桥臂上面的两开关管Tc1和Tc2导通时，开关函数的值为1；当b相桥臂中间两开关管Tb2和Tb3或c相桥臂中间两开关管Tc2和Tc3导通时，开关函数的值为0；当b相桥臂下面两个开关管Tb3和Tb4或c相桥臂下面两个开关管Tc3和Tc4导通时，开关函数的值为-1；
由于中点电流的变化导致直流侧上下两电容分别进行充电或放电过程，进而引起直流侧两电容电压Uc1和Uc2的波动；所以基本电压矢量是影响直流侧两电容电压变化的主要因素。
更进一步的，所述八开关三相逆变器拓扑为三电平中点箝位型逆变器在某相桥臂开关器件发生开路或短路故障后的故障容错重构拓扑。
本发明的有益效果是：本发明的方法能够使系统具有良好的动静态性能，并将直流侧两电容电压的波动抑制在可接受的范围内，基本保证了直流侧中点电位的平衡，易于数字控制器实现，可达到良好的控制效果；且该方法有很强的通用性，可方便移植到针对其他变流器拓扑结构的需考虑直流侧电容电压波动抑制问题的直接转矩控制方法中。
附图说明
图1是八开关三相逆变器拓扑结构图。
图2是基本电压矢量分布图。
图3是施加各个基本电压矢量对磁链和转矩的影响的一个实施例示意图。
图4是八开关三相逆变器-感应电机传动系统直接转矩控制方法原理框图。
图5a是不考虑直流侧电容电压控制时逆变器输出相电压的仿真波形。
图5b是考虑直流侧电容电压控制时逆变器输出相电压的仿真波形。
图6a是不考虑直流侧电容电压控制时电机三相电流的仿真波形。
图6b是考虑直流侧电容电压控制时电机三相电流的仿真波形。
图7a是不考虑直流侧电容电压控制时直流侧两电容电压的仿真波形。
图7b是考虑直流侧电容电压控制时直流侧两电容电压的仿真波形。
图8a是不考虑直流侧电容电压控制时电机定子磁链幅值的仿真波形。
图8b是考虑直流侧电容电压控制时电机定子磁链幅值的仿真波形。
图9a是不考虑直流侧电容电压控制时电机电磁转矩的仿真波形。
图9b是考虑直流侧电容电压控制时电机电磁转矩的仿真波形。
具体实施方式
下面根据附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。一种抑制直流侧电容电压波动的八开关三相逆变器-感应电机传动系统直接转矩控制方法，根据三相感应电机数学模型和八开关三相逆变器拓扑，推导得出影响电机定子磁链、电磁转矩以及直流侧两电容电压大小瞬时变化最主要因素是该时刻所施加的基本电压矢量，通过具体分析在八开关三相逆变器的不同扇区内，施加各个基本电压矢量对电机定子磁链、电磁转矩以及直流侧两电容电压大小变化的影响，采用磁链、转矩和电容电压三个滞环调节器，设计新的矢量选择开关表，完成八开关三相逆变器-感应电机传动系统闭环直接转矩控制。在传统直接转矩控制的磁链和转矩滞环调节器的基础上增加了电容电压滞环调节器，考虑了各个基本电压矢量对直流侧两电容电压大小的不同影响，通过重新设计开关表，使得在控制电机磁链和转矩的同时能够很好的抑制直流侧两电容电压的波动，保证传动系统平稳运行。
本实施例的八开关三相逆变器拓扑为三电平中点箝位型逆变器在某相桥臂开关器件发生开路或短路故障后的故障容错重构拓扑，即故障后切除故障桥臂，仅保留两相正常工作的桥臂，此处以A相桥臂故障为例。如图1所示，左边桥臂为B相桥臂，右边桥臂为C相桥臂；B相桥臂共包含四个开关管Tb1、Tb2、Tb3、Tb4；C相桥臂共包含四个开关管Tc1、Tc2、Tc3、Tc4；B相桥臂和C相桥臂还均有4个续流二极管和两个钳位二极管。由于钳位二极管的作用，每相输出P(正)、O(零)、N(负)三种电平，共形成9个基本电压矢量：OO、ON、OP、NN、NO、PO、PP、NP和PN，如图2所示的基本电压矢量分布图。直流侧包含两个电容，位于P电平侧的电容C1和位于N电平侧的电容C2，电容C1的电压为Uc1，电容C2的电压为Uc2。
该方法包含以下具体实现步骤：
A：首先，根据三相感应电机数学模型，推导了电机定子磁链与电磁转矩变化率公式：
其中：ψs表示定子磁链，us表示基本电压矢量，Te表示电磁转矩，np表示电机的极对数，ψr表示转子磁链，Ls、Lr、Lm分别表示定子电感、转子电感、定转子互感，Rs表示定子电阻，Rr表示转子电阻，ωr表示转子转速。忽略定子电阻压降的影响，并认为Te、ψs、ψr及ωr在一个采样周期内相对于施加的电压矢量us的变化可以忽略不计，则由式(1)和(2)可得，影响电机磁链和转矩瞬时变化的最主要因素是该时刻所施加的基本电压矢量。
其次，根据八开关三相逆变器拓扑可知，当施加不同电压矢量时，对应的三相桥臂的开关状态将导致三相负载的不同连接方式，从而产生不同的中点电流，中点电流可表示为：
Io＝Ia+(1-|Sb|)Ib+(1-|Sc|)Ic (3)
其中，Ia、Ib、Ic表示电机的a、b、c三相电流；Sb，Sc表示开关函数，当b相桥臂上面两开关管Tb1和Tb2或c相桥臂上面的两开关管Tc1和Tc2导通时，开关函数的值为1；当b相桥臂中间两开关管Tb2和Tb3或c相桥臂中间两开关管Tc2和Tc3导通时，开关函数的值为0；当b相桥臂下面两个开关管Tb3和Tb4或c相桥臂下面两个开关管Tc3和Tc4导通时，开关函数的值为-1。
中点电流的变化将会导致直流侧上下两电容C1和C2分别进行充电或放电过程，进而造成直流侧两电容电压Uc1和Uc2波动。因此可得，基本电压矢量也是影响直流侧两电容电压变化的主要因素。
B：详细分析在八开关三相逆变器的不同扇区内，施加各个基本电压矢量对电机定子磁链、电磁转矩以及直流侧两电容电压大小变化的影响。
将各个基本电压矢量分解为沿磁链矢量方向的分量和垂直于磁链矢量方向的分量，若基本电压矢量沿磁链矢量方向上的分量与磁链矢量同向，则该基本电压矢量使磁链幅值增大，若其与磁链矢量反向，则该基本电压矢量使磁链幅值减小；若基本电压矢量垂直于磁链矢量方向的分量与电机旋转方向同向，则该基本电压矢量使电磁转矩增大，若其与电机旋转方向反向，则该基本电压矢量使电磁转矩减小。
当定子磁链矢量位于附图3所示位置时，选择电压矢量ON、NN、NO或NP使定子磁链幅值增加，选择PO、PP、OP或PN使定子磁链幅值减小；假设电机沿逆时针方向旋转，选择电压矢量PO、PN、ON或NN使转矩增加，选择PP、OP、NP或NO使转矩减小。定子磁链矢量在其他位置的情况可以以此类推。同时附表1中分析了施加各个基本电压矢量时对应的中点电流大小，以及该电压矢量作用所产生的直流侧两电容电压的变化趋势：若基本电压矢量位于静止两相坐标平面的右半平面，则该基本电压矢量使Uc1增大Uc2减小；若其位于左半平面，则该基本电压矢量使Uc1减小Uc2增大。
表1施加各个基本电压矢量时对应的中点电流及产生的直流侧两电容电压变化趋势
C：根据上述分析，采用磁链滞环调节器、转矩滞环调节器和电容电压滞环调节器，设计矢量选择开关表，实现对八开关三相逆变器-感应电机传动系统闭环直接转矩控制。
控制框图如附图4所示，控制部分主要包括外环转速PI调节器模块、坐标变换模块、磁链转矩观测器模块、滞环调节器模块以及电压矢量选择开关表模块。给定转速与电机实际转速值通过PI调节器得到转矩给定值，利用反馈的电机三相电流以及电机转速等信息经过磁链转矩观测器来计算转矩、磁链值并同时进行扇区判断，然后采用转矩、磁链以及电容电压三个滞环调节器进行两点式(Bang-Bang)调节来选择合适的基本电压矢量，产生PWM信号，从而形成闭环直接转矩控制回路，来驱动八开关三相逆变器-感应电机传动系统正常运行。
采用电流模型来对电机磁链和转矩进行估算。在两相静止(α-β)坐标系下，转子磁链和定子磁链的计算公式为：
其中：
Lσ＝Lsσ+Lrσ (7)
转矩计算公式为:
Te＝np(ψsαisβ-ψsβisα) (8)
式中，ψrα和ψrβ分别表示转子磁链的α轴和β轴分量，ψsα和ψsβ分别表示定子磁链的α轴和β轴分量，isα和isβ分别表示定子电流的α轴和β轴分量，Lsσ和Lrσ分别表示定、转子漏感。
为了便于分析，将α-β坐标系划分为12个小扇区，扇区分布图如附图2所示。根据上述的分析设计矢量选择开关表，如附表2所示。若磁链滞环调节器输出为1，则需施加使磁链幅值增大的电压矢量，若其输出为0，则需施加使磁链幅值减小的电压矢量。若转矩滞环调节器输出为1，则需施加使转矩增大的电压矢量，若其输出为-1，则需施加使转矩减小的电压矢量，若其输出为0表示需施加零电压矢量。若电容电压滞环调节器输出为1，则需施加使Uc1减小Uc2增大的电压矢量，若其输出为0，则需施加使Uc1增大Uc2减小的电压矢量。
表2基本电压矢量选择开关表
为了验证根据本发明所述的抑制直流侧两电容电压波动的八开关三相逆变器-感应电机传动系统直接转矩控制方法的正确性和有效性，在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建本发明的仿真模型，仿真参数见附表3。给定转速为800r/min，负载转矩为5Nm，定子磁链幅值的参考值为0.6Wb。
表3仿真相关参数表
为了突出本发明的优越性，进行了对比仿真分析。附图5a和5b分别为不考虑直流侧电容电压控制和考虑直流侧电容电压控制时逆变器输出相电压的仿真波形；附图6a和6b分别为不考虑直流侧电容电压控制和考虑直流侧电容电压控制时电机三相定子电流的仿真波形；附图7a和7b分别为不考虑直流侧电容电压控制和考虑直流侧电容电压控制时直流侧两电容电压的仿真波形；附图8a和8b分别为不考虑直流侧电容电压控制和考虑直流侧电容电压控制时电机定子磁链幅值的仿真波形；附图9a和9b分别为不考虑直流侧电容电压控制和考虑直流侧电容电压控制时电磁转矩的仿真波形。对比仿真结果可以看出，如果不对直流侧电容电压波动进行控制，将导致两电容电压严重不平衡，输出电压波形质量差，三相电流不平衡，磁链和转矩脉动增大。而采用所提出的抑制直流侧电容电压波动的DTC算法时，输出电压和电流波形质量很好，磁链和转矩均能稳定在给定值附近，维持系统平稳运行。同时可以将直流侧两电容电压的波动控制在很小的范围内，基本保证了中点电位的平衡。
Claims (4)
1.一种抑制直流侧电容电压波动的直接转矩控制方法，其特征在于，在八开关三相逆变器拓扑的情况下，所述方法包括：
A：分析得到影响电机定子磁链、电磁转矩以及直流侧两电容电压Uc1和Uc2变化的主要因素为基本电压矢量；
B：分析施加不同的基本电压矢量时，电机定子磁链、电磁转矩、直流侧两电容电压Uc1和Uc2大小变化情况：
将各个基本电压矢量分解为沿磁链矢量方向的分量和垂直于磁链矢量方向的分量，
若基本电压矢量沿磁链矢量方向上的分量与磁链矢量同向，则该基本电压矢量使磁链幅值增大，若其与磁链矢量反向，则该基本电压矢量使磁链幅值减小；
若基本电压矢量垂直于磁链矢量方向的分量与电机旋转方向同向，则该基本电压矢量使电磁转矩增大，若其与电机旋转方向反向，则该基本电压矢量使电磁转矩减小；
若基本电压矢量位于静止两相坐标平面的右半平面，则该基本电压矢量使Uc1增大Uc2减小；若其位于左半平面，则该基本电压矢量使Uc1减小Uc2增大；
C：根据上述分析，采用磁链滞环调节器、转矩滞环调节器和电容电压滞环调节器，设计矢量选择开关表，实现对八开关三相逆变器-感应电机传动系统闭环直接转矩控制：
若磁链滞环调节器输出为1，则需施加使磁链幅值增大的电压矢量，若其输出为0，则需施加使磁链幅值减小的电压矢量；
若转矩滞环调节器输出为1，则需施加使转矩增大的电压矢量，若其输出为-1，则需施加使转矩减小的电压矢量，若其输出为0表示需施加零电压矢量；
若电容电压滞环调节器输出为1，则需施加使Uc1减小Uc2增大的电压矢量，若其输出为0，则需施加使Uc1增大Uc2减小的电压矢量。
2.根据权利要求1所述的抑制直流侧电容电压波动的直接转矩控制方法，其特征在于，分析影响电机定子磁链、电磁转矩变化的主要因素的方法为：根据三相感应电机数学模型，推导了电机定子磁链与电磁转矩变化率公式：
其中：ψs表示定子磁链，us表示基本电压矢量，Te表示电磁转矩，np表示电机的极对数，ψr表示转子磁链，Ls、Lr、Lm分别表示定子电感、转子电感、定转子互感，Rs表示定子电阻，Rr表示转子电阻，ωr表示转子转速；忽略定子电阻压降的影响，并将Te、ψs、ψr及ωr在一个采样周期内相对于施加的电压矢量us的变化忽略不计，则由上述两式得，影响电机定子磁链和转矩瞬时变化的最主要因素是该时刻所施加的基本电压矢量。
3.根据权利要求1所述的抑制直流侧电容电压波动的直接转矩控制方法，其特征在于，分析影响直流侧两电容电压Uc1和Uc2变化的主要因素的方法为：在八开关三相逆变器拓扑中，由于施加不同电压矢量时，对应的三相桥臂的开关状态将导致三相负载的不同连接方式，因此产生不同的中点电流，且中点电流表示为：
Io＝Ia+(1-|Sb|)Ib+(1-|Sc|)Ic
其中，Ia、Ib、Ic表示电机的a、b、c三相电流；Sb，Sc表示开关函数，当b相桥臂上面两开关管Tb1和Tb2或c相桥臂上面的两开关管Tc1和Tc2导通时，开关函数的值为1；当b相桥臂中间两开关管Tb2和Tb3或c相桥臂中间两开关管Tc2和Tc3导通时，开关函数的值为0；当b相桥臂下面两个开关管Tb3和Tb4或c相桥臂下面两个开关管Tc3和Tc4导通时，开关函数的值为-1；
由于中点电流的变化导致直流侧上下两电容分别进行充电或放电过程，进而引起直流侧两电容电压Uc1和Uc2的波动；所以基本电压矢量是影响直流侧两电容电压变化的主要因素。
4.根据权利要求1-3任一项所述的抑制直流侧电容电压波动的直接转矩控制方法，其特征在于，所述八开关三相逆变器拓扑为三电平中点箝位型逆变器在某相桥臂开关器件发生开路或短路故障后的故障容错重构拓扑。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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