CN106992734A - 一种变电压矢量的永磁同步电机直接转矩控制优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电压矢量的永磁同步电机直接转矩控制优化方法，当永磁同步电机直接转矩控制系统要求同时减小定子磁链幅值和转矩时，判断系统当前的状态，当是动态时，选择非零电压矢量；当是静态时，选择零电压矢量满足控制需求。本发明能减小系统开关动作次数，进而降低开关损耗，此外永磁同步电机直接转矩控制系统具有更快的动态响应。

Description

一种变电压矢量的永磁同步电机直接转矩控制优化方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机直接转矩控制优化方法，具体涉及一种变电压矢量的永磁同步电机直接转矩控制优化方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)具有体积小、效率高、转矩平稳的优点，同时还兼有优良的弱磁性能，成为研究的热点。

直接转矩控制(DTC)系统通过磁链观测器观测电机的定子磁链，进而计算电机转矩，确定定子磁链所处扇区，将电机实际磁链和转矩分别与给定值比较，经过磁链和转矩调节器得到输出结果，结合定子磁链扇区信号选择电压矢量，控制定子磁链幅值恒定和转矩角的变化，最终实现对电机转矩的直接控制。但直接转矩控制系统存在转矩脉动大、开关频率不固定、低速性能差等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种变电压矢量的永磁同步电机直接转矩控制优化方法，以提高永磁同步电机直接转矩控制系统的性能，减小系统开关动作次数，进而降低开关损耗，同时使系统具有更快的动态响应。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，当永磁同步电机直接转矩控制系统要求同时减小定子磁链幅值和转矩；

步骤二，判断系统的状态，当系统处于动态时，选择非零电压矢量；当系统处于静态时，选择零电压矢量满足控制需求。

所述步骤二中，当电机转矩的相对误差限e_rt与磁链的相对误差限e_rf同时满足e_rt≤0.6％,e_rf≤0.5％时，判断系统处于静态；否则判断系统处于动态。

所述电机转矩的相对误差限e_rt与磁链的相对误差限e_rf分别为：

式中Te^*和Te分别为转矩的实际值和参考值，和分别为定子磁链幅值的实际值和参考值。

所述步骤二中，系统处于静态时施加零电压矢量时，需判断上一个采样时刻施加的电压矢量，然后选择使系统开关动作次数最小的零电压矢量；三相电压逆变器得到8个电压空间矢量，包括其中6个非零电压矢量V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆和2个零电压矢量V₀、V₇，V₀、V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆、V₇的开关状态分别为000、100、110、010、011、001、101、111；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₀(000)时，切换到V₀(000)时，开关动作次数最小，此时选择V₀作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₁(100)时，切换到V₀(000)时，开关动作次数最小，此时选择V₀作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₂(110)时，切换到V₇(111)时，开关动作次数最小，此时选择V₇作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₃(010)时，切换到V₀(000)时，开关动作次数最小，此时选择V₀作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₄(011)时，切换到V₇(111)时，开关动作次数最小，此时选择V₇作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₅(001)时，切换到V₀(000)时，开关动作次数最小，此时选择V₀作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₆(101)时，切换到V₇(111)时，开关动作次数最小，此时选择V₇作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₇(111)时，切换到V₇(111)时，开关动作次数最小，此时选择V₇作为静态时要施加的零电压矢量。

与现有技术相比，本发明在永磁同步电机直接转矩控制系统要求同时减小定子磁链幅值和转矩时，判断系统的状态，当系统处于动态时，选择非零电压矢量；当系统处于静态时，选择零电压矢量满足控制需求。本发明根据系统所处的状态，合理选择电压矢量，减小了系统开关动作次数，进而降低开关频率，同时使系统具有更快的动态响应。

附图说明

图1为本发明实施例的永磁同步电机直接转矩控制方法的原理框图；

图2为本发明实施的流程图；

图3为三相电压逆变器得到8个电压空间矢量示意图；

图4为在Matlab/Simulink环境下，本发明所提出变电压矢量开关表的仿真波形图；其中，(a)是定子磁链幅值波形，(b)是转速和转矩波形，(c)定子磁链轨迹，(d)是A相定子绕组电流，(e)是与普通含零电压矢量开关表转矩比较结果，(f)与普通含零电压矢量开关表磁链比较结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明包括以下步骤：

步骤一，当永磁同步电机直接转矩控制系统要求同时减小定子磁链幅值和转矩；

步骤二，判断系统的状态，当系统处于动态时，选择非零电压矢量；当系统处于静态时，选择零电压矢量满足控制需求。

步骤二中判断系统的状态，定义电机转矩的相对误差限e_rt与磁链的相对误差限e_rf分别为：

式中Te^*和Te分别为转矩的实际值和参考值，和分别为定子磁链幅值的实际值和参考值。

当e_rt与e_rf同时满足e_rt≤0.6％,e_rf≤0.5％时，判断系统处于静态；否则判断系统处于动态。

如图3所示，由三相电压逆变器得到8个电压空间矢量，包括其中6个非零电压矢量(V₁(100)、V₂(110)、V₃(010)、V₄(011)、V₅(001)、V₆(101))和2个零电压矢量(V₀(000)、V₇(111))。

传统直接转矩控制认为只有忽略零电压矢量，系统才能正常驱动，所以传统直接转矩控制设定的开关表如附表1所示。

表1传统直接转矩控制开关表

φ

τ

θ1

θ2

θ3

θ4

θ5

θ6

1

1

V2

V3

V4

V5

V6

V1

1

0

V6

V1

V2

V3

V4

V5

0

1

V3

V4

V5

V6

V1

V2

0

0

V5

V6

V1

V2

V3

V4

表1中θ₁～θ₆表示定子磁链所在的第1至第6扇区。当φ＝1时，表示永磁同步电动机直接转矩控制系统要求增加定子磁链，当φ＝0时，表示永磁同步电动机直接转矩控制系统要求减小定子磁链。当τ＝1时，表示永磁同步电动机直接转矩控制系统要求增加转矩，当τ＝0时，表示永磁同步电动机直接转矩控制系统要求减小转矩。

步骤二中系统处于动态时，施加非零电压矢量。当定子磁链处于第1扇区时，非零电压矢量应为V₅；当定子磁链处于第2扇区时，非零电压矢量应为V₆；当定子磁链处于第3扇区时，非零电压矢量应为V₁；当定子磁链处于第4扇区时，非零电压矢量应为V₂；当定子磁链处于第5扇区时，非零电压矢量应为V₃；当定子磁链处于第6扇区时，非零电压矢量应为V₄。

研究表明零电压矢量缓慢减小电磁转矩和定子磁链。当φ＝0和τ＝0时可以施加零电压矢量，得到普通含零电压矢量开关表，如附表2所示。

表2普通含零电压矢量开关表

φ

τ

θ1

θ2

θ3

θ4

θ5

θ6

1

1

V2

V3

V4

V5

V6

V1

1

0

V6

V1

V2

V3

V4

V5

0

1

V3

V4

V5

V6

V1

V2

0

0

V0

V0

V0

V0

V0

V0

步骤二中系统处于静态时施加零电压矢量，需判断上一个采样时刻施加的电压矢量，然后选择使系统开关动作次数最小的零电压矢量。

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₀(000)时，切换到V₀(000)时，系统开关动作次数最小，此时选择V₀作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₁(100)时，切换到V₀(000)时，系统开关动作次数最小，此时选择V₀作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V2(110)时，切换到V7(111)时，系统开关动作次数最小，此时选择V₇作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₃(010)时，切换到V₀(000)时，系统开关动作次数最小，此时选择V₀作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₄(011)时，切换到V₇(111)时，系统开关动作次数最小，此时选择V₇作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₅(001)时，切换到V₀(000)时，系统开关动作次数最小，此时选择V₀作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₆(101)时，切换到V₇(111)时，系统开关动作次数最小，此时选择V₇作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₇(111)时，切换到V₇(111)时，系统开关动作次数最小，此时选择V₇作为静态时要施加的零电压矢量。

则可以得到一种新的开关表，如附表3所示，其中V_N在动态时表示非零电压矢量，在静态时表示V₀或者V₇。

表3变电压矢量开关表

φ

τ

θ1

θ2

θ3

θ4

θ5

θ6

1

1

V2

V3

V4

V5

V6

V1

1

0

V6

V1

V2

V3

V4

V5

0

1

V3

V4

V5

V6

V1

V2

0

0

VN

VN

VN

VN

VN

VN

在Matlab/Simulink环境下，采用本发明提出的变电压矢量开关表进行仿真试验。初始参考转矩11Nm，0.3s时降为4Nm；初始参考磁链为0.3Wb，0.3s时降为0.17Wb；给定转速为120r/min，仿真时间为0.5s。仿真结果如图4所示，定子磁链幅值没有波动，转矩波形也没有波动，定子磁链轨迹是圆形，电流波形正弦，符合控制要求。说明本发明开关表优化方法正确。图4(e)和(f)中，Tz、Fz为使用变电压矢量开关表系统的转矩和磁链波形，Tb、Fb为使用普通含零电压矢量开关表系统的转矩和磁链波形。与普通含零电压矢量开关表相比，使用变电压矢量开关表系统具有更快的动态响应。

在上述仿真条件下，比较系统使用传统直接转矩控制开关表和本发明提出的变电压矢量开关表系统的开关次数，结果如附表4所示。

表4开关次数比较结果

开关表	表1	表3
			开关次数	1.71×105	1.34×105

证明了本发明减小系统开关动作次数，进而降低开关损耗。

Claims (4)

1.一种变电压矢量的永磁同步电机直接转矩控制优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，当永磁同步电机直接转矩控制系统要求同时减小定子磁链幅值和转矩；

步骤二，判断系统的状态，当系统处于动态时，选择非零电压矢量；当系统处于静态时，选择零电压矢量满足控制需求。

2.根据权利要求1所述的一种变电压矢量的永磁同步电机直接转矩控制优化方法，其特征在于，所述步骤二中，当电机转矩的相对误差限e_rt与磁链的相对误差限e_rf同时满足e_rt≤0.6％,e_rf≤0.5％时，判断系统处于静态；否则判断系统处于动态。

3.根据权利要求2所述的一种变电压矢量的永磁同步电机直接转矩控制开关表方法，其特征在于，所述电机转矩的相对误差限e_rt与磁链的相对误差限e_rf分别为：

$e_{rt}=\frac{\left|{\mathrm{Te}}^{*}-Te\right|}{Te}\×100\%$

式中Te^*和Te分别为转矩的实际值和参考值，和分别为定子磁链幅值的实际值和参考值。

4.根据权利要求1所述的一种变电压矢量的永磁同步电机直接转矩控制优化方法，其特征在于，所述步骤二中，系统处于静态时施加零电压矢量时，需判断上一个采样时刻施加的电压矢量，然后选择使系统开关动作次数最小的零电压矢量；三相电压逆变器得到8个电压空间矢量，包括其中6个非零电压矢量V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆和2个零电压矢量V₀、V₇，V₀、V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆、V₇的开关状态分别为000、100、110、010、011、001、101、111；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₀(000)时，切换到V₀(000)时，开关动作次数最小，此时选择V₀作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₁(100)时，切换到V₀(000)时，开关动作次数最小，此时选择V₀作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₂(110)时，切换到V₇(111)时，开关动作次数最小，此时选择V₇作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₃(010)时，切换到V₀(000)时，开关动作次数最小，此时选择V₀作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₄(011)时，切换到V₇(111)时，开关动作次数最小，此时选择V₇作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₅(001)时，切换到V₀(000)时，开关动作次数最小，此时选择V₀作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₆(101)时，切换到V₇(111)时，开关动作次数最小，此时选择V₇作为静态时要施加的零电压矢量；

当上一个采样时刻施加的电压矢量为V₇(111)时，切换到V₇(111)时，开关动作次数最小，此时选择V₇作为静态时要施加的零电压矢量。