CN107086837A - 一种基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统 - Google Patents
一种基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统。该系统包括控制模块、逆变电路、电流电压检测模块和转速检测模块；控制模块输出控制信号接入逆变电路，逆变电路输出端通过导线与同步磁阻电机相连，且导线穿过电流电压检测模块，电流电压检测模块还与控制模块相连，转速检测模块一端与同步磁阻电机相连，另一端接入控制模块。本发明在满足极限电压和极限电流的情况下，拓宽了电机的调速范围，提高系统的控制精度，增强了系统对电机参数变化的鲁棒性，使同步磁阻电机的应用范围更加广泛。
Description
技术领域
本发明设计交流电机传动技术领域，具体涉及一种同步磁阻电机直接转矩弱磁控制系统。
背景技术
同步磁阻电机结构简单，具有高效率、高功率密度、易弱磁扩速、易维护、成本低等显著优点，在轨道交通和航天事业中有着光明的应用前景。
随着工业的快速发展，对高速电机的需求也越来越多。同步磁阻电机因其易扩速的特点，受到人们的关注。传统的同步磁阻电机直接转矩控制系统主要由转矩、磁链滞环控制器和开关表组成，根据滞环控制器的输出结果，从预制的开关表中选取合适的电压矢量对转矩、磁链直接进行控制。该控制系统调速范围窄，转矩脉动大，控制效果易受电机参数变化的影响，鲁棒性差，在高速运行时，系统稳定性差，很达到一些场合的应用要求。文献[1]A novel direct torque controlled interior permanent magnet synchronousmachine drive with low ripple in flux and torque and fixed switchingfrequency中提出一种永磁同步电机的控制系统，其将直接转矩控制和电压空间矢量调制技术相结合，减小了脉动，提高了控制精度，为同步磁阻电机的控制也提供了思路。文献[2]A Novel Control Scheme for Maximum Power Operation of Synchronous ReluctanceMotors Including Maximum Torque Per Flux Control借鉴文献[1]的思路，提出一种在f-t坐标系下计算给定电磁转矩值得方法，提高了系统的精确性，但系统复杂，计算量比较大，而且只考虑电机直轴电感的变化，忽略了交轴电感的变化，这与电机实际运行情况不符，会影响系统的稳定性。很有必要提出一种新的控制系统，来提高同步磁阻电机的控制精度，拓宽其调速范围，增强其对电机电感参数变化的鲁棒性。
发明内容
本发明目的在于针对当前技术中存在的其转矩限幅对电机电感参数变化没有鲁棒性，控制效果差，系统稳定性不高等不足，提出一种基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统。该系统通过电流电压检测模块的设置，以及加入转矩限幅自适应控制器模块和定子磁链给定值计算模块，拓宽了其调速范围，增强了在高速弱磁区域对电机参数变化的鲁棒性，提高了系统的稳定性。
本发明控制系统所用装置及操作：
一种基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统，包括控制模块、逆变电路、电流电压检测模块和转速检测模块；控制模块输出控制信号接入逆变电路，逆变电路输出端通过导线与同步磁阻电机相连，且导线穿过电流电压检测模块，电流电压检测模块还与控制模块相连，转速检测模块一端与同步磁阻电机相连，另一端接入控制模块。
所述的控制模块包括比较模块、PI调节模块、转矩限幅自适应控制器模块、参考电压矢量计算模块、电压矢量脉宽调制模块、定子磁链给定值计算模块、转矩磁链观测模块和Clarke变换，其中，比较模块、PI调节模块、转矩限幅自适应控制器模块、参考电压矢量计算模块、电压矢量脉宽调制模块顺次相连；定子磁链给定值计算模块分别与转矩限幅自适应控制器模块、参考电压矢量计算模块相连；参考电压矢量计算模块还与转矩磁链观测模块相连，转矩磁链观测模块的另一端与Clarke变换相连；Clarke变换与电流电压检测模块相连；电压矢量脉宽调制模块与逆变电路相连；比较模块、定子磁链给定值计算模块分别与转速检测模块相连。
所述的基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统的运行方法，该方法为以下两种方法之一：
当同步磁阻电机转速低于基速，在恒转矩区运行时，包括以下步骤：
第一步：电流电压检测电路测得两相电流ia、ib和两相电压ua、ub，经过过Clarke变换得到iα、iβ和uα、uβ，输入给转矩磁链观测模块，以估算出当前电磁转矩和当前磁链的大小，然后将其输入给参考电压矢量计算模块；
第二步：转速检测模块检测电机当前转速，其与给定转速经过比较模块得到转速差值，转速差值经过PI调节器和转矩限幅自适应控制模块得到转矩给定值，转矩给定值一路输入给参考电压矢量计算模块，一路输入给定子磁链给定值计算模块并按式(1)计算得到定子磁链给定值，定子磁链给定值再输入到参考电压矢量计算模块，
式中Ld、Lq分别是是电机的直轴电感和交轴电感，p是电机极对数，Te*是转矩给定值，
第三步：参考电压矢量计算模块根据转矩给定值、定子磁链给定值和当前转矩、当前磁链计算得到参考电压矢量，参考电压矢量再经过电压矢量脉宽调制模块得到六路PWM控制信号，六路PWM控制信号输入给逆变电路，逆变电路产生三相电压来驱动同步磁阻电机运行；
或者，当同步磁阻电机转速超过基速，运行在弱磁区时，包括以下步骤：
第一步：电流电压检测电路测得两相电流ia、ib和两相电压ua、ub，经过过Clarke变换得到iα、iβ和uα、uβ，输入给转矩磁链观测模块，以估算出当前电磁转矩和当前磁链的大小，然后将其输入给参考电压矢量计算模块；
第二步：转速检测模块检测电机当前转速，一路当前转速输入给定子磁链给定值计算模块，根据式(2)计算得到定子磁链给定值，
式中ω是电机转子电角速度，
定子磁链给定值一路输入给参考电压矢量计算模块，另一路输入给转矩限幅自适应控制模块，根据式(3)(4)分别计算并选取其中的较小值作为转矩的限幅值，
其中Imax是最大电流值，是定子给定磁链值，
其中Tadj是自适应变量，
另一路当前转速信号与给定转速经过比较模块得到转速差值，转速差值经过PI调节器和转矩限幅自适应控制模块得到转矩给定值，转矩给定值输入给参考电压矢量计算模块，
第三步：参考电压矢量计算模块根据转矩给定值、定子磁链给定值和当前转矩、当前磁链计算得到参考电压矢量，参考电压矢量再经过电压矢量脉宽调制模块得到六路PWM控制信号，六路PWM控制信号输入给逆变电路，逆变电路产生三相电压来驱动同步磁阻电机运行。
本发明的有益效果为：
1.在本发明中，所述的一种基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统中所加入的转矩限幅自适应控制器，其对电机电感参数变化就有鲁棒性，转矩的限制幅度能够随着电机参数变化自动进行调节，这样就能实时精确的对从PI模块输出的给定电磁转矩进行限幅，避免了因对从PI模块输出的给定电磁转矩限幅失败而造成控制系统失控的发生，从而提高了系统的稳定性和控制精度。
2.在发明中，所述的一种基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统中所加入的定子磁链给定值计算模块，通过对定子磁链的控制，使同步磁阻电机能够在恒转矩运行区和弱磁运行区之间平滑切换。
3.在发明中，所述的一种基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统通过电流电压检测模块的设置等模块的设置，在满足极限电压和极限电流的情况下，拓宽了电机的调速范围，提高系统的控制精度，使同步磁阻电机的应用范围更加广泛。
附图说明
图1是本发明的组成结构框图；
图2是本发明的整体原理框图；
图3是定子磁链给定值计算模块的原理框图；
图4是转矩限幅自适应控制器模块的原理框图；
图5是Tadj自适应原理框图。
具体实施实例
下面结合实施例及其附图详细叙述本实发明：
本发明控制系统(参见图1)包括控制模块1、逆变电路2、电流电压检测模块3和转速检测模块4，同步磁阻电机5是本发明控制系统的控制对象，控制模块1输出控制信号接入逆变电路2，逆变电路2输出端通过导线与同步磁阻电机5相连，且导线穿过电流电压检测模块3，电流电压检测模块3又与控制模块1相连，转速检测模块4一端与同步磁阻电机5相连，另一端接入控制模块1。
上述装置的运行过程：转速检测模块4检测同步磁阻电机5当前转速，并输入给控制模块1，电流电压检测模块3检测当前两相电流、电压值，也输入给控制模块1，然后控制模块1经过处理运算产生PWM控制信号，并将其输入到逆变电路2，逆变电路2在PWM信号的控制下，将直流电逆变成三相交流电输出给同步磁阻电机5。
本发明控制系统的原理(参见图2)是：所述的控制模块1包括比较模块1.1、PI调节模块1.2、转矩限幅自适应控制器模块1.3、参考电压矢量计算模块1.4、电压矢量脉宽调制模块1.5、定子磁链给定值计算模块1.6、转矩磁链观测模块1.7和Clarke变换1.8，其中，比较模块1.1、PI调节模块1.2、转矩限幅自适应控制器模块1.3、参考电压矢量计算模块1.4、电压矢量脉宽调制模块1.5顺次相连；定子磁链给定值计算模块1.6分别与转矩限幅自适应控制器模块1.3、参考电压矢量计算模块1.4相连；参考电压矢量计算模块1.4还与转矩磁链观测模块1.7相连，转矩磁链观测模块1.7的另一端与Clarke变换1.8相连；Clarke变换1.8与电流电压检测模块3相连；电压矢量脉宽调制模块1.5与逆变电路2相连；比较模块1.1、定子磁链给定值计算模块1.6分别与转速检测模块4相连。
首先通过电流电压检测电路3测得两相电流ia、ib和两相电压ua、ub，经过过Clarke变换1.8得到iα、iβ和uα、uβ，然后输入给转矩磁链观测模块1.7估算出当前电磁转矩和当前磁链的大小，转速检测模块4测得电机转速，一路通过比较模块1.1与给定转速比较得到转速差，转速差依次经过PI调节模块1.2、转矩限幅自适应控制器模块1.3得到转矩给定值，一路输入给定子磁链计算模块1.6得到定子磁链给定值，然后将转矩给定值、定子磁链给定值和当前转矩、当前磁链输入参考电压矢量计算模块1.4得到参考电压矢量，参考电压矢量输入到电压矢量脉宽调制模块1.5得到六路PWM控制信号，六路PWM控制信号输入到逆变电路2中，逆变电路2输出三相电压来控制同步磁阻电机5的运行。
所述的转矩限幅自适应控制器模块1.3和定子磁链给定值计算模块1.6是双向连接的。
所述的转矩限幅自适应控制器模块1.3是本发明的控制方法，比较模块1.1、PI调节模块1.2、参考电压矢量计算模块1.4、电压矢量脉宽调制模块1.5、定子磁链给定值计算模块1.6、转矩磁链观测模块1.7、Clarke变换1.8均为现有技术。
所述的基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统的运行方法，该方法为以下两种方法之一：
当同步磁阻电机转速低于基速，在恒转矩区运行时，包括以下步骤：
第一步：电流电压检测电路3测得两相电流ia、ib和两相电压ua、ub，经过过Clarke变换1.8得到iα、iβ和uα、uβ，输入给转矩磁链观测模块1.7，以估算出当前电磁转矩和当前磁链的大小，然后将其输入给参考电压矢量计算模块1.4；
第二步：转速检测模块4检测电机当前转速，其与给定转速经过比较模块1.1得到转速差值，转速差值经过PI调节器1.2和转矩限幅自适应控制模块1.3得到转矩给定值，转矩给定值一路输入给参考电压矢量计算模块1.4，一路输入给定子磁链给定值计算模块1.6并按式(1)计算得到定子磁链给定值，定子磁链给定值再输入到参考电压矢量计算模块1.4，
式中Ld、Lq分别是是电机的直轴电感和交轴电感，p是电机极对数，Te*是转矩给定值，
第三步：参考电压矢量计算模块1.4根据转矩给定值、定子磁链给定值和当前转矩、当前磁链计算得到参考电压矢量，参考电压矢量再经过电压矢量脉宽调制模块1.5得到六路PWM控制信号，六路PWM控制信号输入给逆变电路2，逆变电路2产生三相电压来驱动同步磁阻电机5运行；
或者，当同步磁阻电机转速超过基速，运行在弱磁区时，包括以下步骤：
第一步：电流电压检测电路3测得两相电流ia、ib和两相电压ua、ub，经过过Clarke变换1.8得到iα、iβ和uα、uβ，输入给转矩磁链观测模块1.7，以估算出当前电磁转矩和当前磁链的大小，然后将其输入给参考电压矢量计算模块1.4；
第二步：转速检测模块4检测电机当前转速，一路当前转速输入给定子磁链给定值计算模块1.6，根据式(2)计算得到定子磁链给定值，
式中ω是电机转子电角速度，
定子磁链给定值一路输入给参考电压矢量计算模块1.4，另一路输入给转矩限幅自适应控制模块1.3，根据式(3)(4)分别计算并选取其中的较小值作为转矩的限幅值，
其中Imax是最大电流值，是定子给定磁链值，
其中Tadj是自适应变量，
另一路当前转速信号与给定转速经过比较模块1.1得到转速差值，转速差值经过PI调节器1.2和转矩限幅自适应控制模块1.3得到转矩给定值，转矩给定值输入给参考电压矢量计算模块1.4，
第三步：参考电压矢量计算模块1.4根据转矩给定值、定子磁链给定值和当前转矩、当前磁链计算得到参考电压矢量，参考电压矢量再经过电压矢量脉宽调制模块1.5得到六路PWM控制信号，六路PWM控制信号输入给逆变电路2，逆变电路2产生三相电压来驱动同步磁阻电机5运行。
同步磁阻电机在恒转矩区和弱磁区的平滑切换由所述的定子磁链给定值计算模块1.6来完成，其原理如图3所示，选取两者中的较小值作为定子磁链的给定值，从而实现同步磁阻电机在恒转矩区和弱磁区的平滑切换。
所述的转矩限幅自适应控制器模块1.3原理如图4所示，当同步磁阻电机运行在弱磁区时，转矩受到最大电流的条件限制如式(3)所示，同时还受到最大转矩电压比(MTPV)运行条件的限制如式(4)所示，取两者中的较小值作为转矩限幅值，从而既满足了最大电流的限制条件，也满足了最大转矩电压比(MTPV)的运行条件。
为满足最大转矩电压比(MTPV)运行条件，传统的转矩限制值由式(5)计算，由此可以看出，由式(5)计算得到的转矩限幅值，极易受到参数变化的影响，造成转矩限幅值不准确，无法达到最大转矩电压比(MTPV)的运行效果，同时也会造成转矩限幅失败，系统稳定性下降。
为了解决这个问题，本发明提供一种转矩限幅自适应的计算方法：
所述的转矩限幅自适应控制器模块1.3中计算式(4)中Tadj自适应原理如图5所示，当连续监测到转矩控制失败(给定转矩和实际转矩差值大于0.1N·m，则认定转矩控制失败)次数CNT_T达到上限值N_limt时，说明转矩限幅值太大，则令Tadj＝Tadj+ΔT；当转矩控制失败次数CNT_T未达到上限值N_limt，但也不为零时，则保持Tadj不变；当转矩控制失败次数CNT_T是零时，说明转矩限幅值太小，易造成系统响应缓慢，则令Tadj＝Tadj-ΔT。该发明方法简单有效，能够解决电机参数变化问题，提高系统稳定性。
所述的控制模块是以TI公司的TMS320F28335控制芯片为核心的电路构成。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (3)
1.一种基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统，其特征为该系统包括控制模块、逆变电路、电流电压检测模块和转速检测模块；控制模块输出控制信号接入逆变电路，逆变电路输出端通过导线与同步磁阻电机相连，且导线穿过电流电压检测模块，电流电压检测模块还与控制模块相连，转速检测模块一端与同步磁阻电机相连，另一端接入控制模块。
2.如权利要求1所述的基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统，其特征为所述的控制模块包括比较模块、PI调节模块、转矩限幅自适应控制器模块、参考电压矢量计算模块、电压矢量脉宽调制模块、定子磁链给定值计算模块、转矩磁链观测模块和Clarke变换，其中，比较模块、PI调节模块、转矩限幅自适应控制器模块、参考电压矢量计算模块、电压矢量脉宽调制模块顺次相连；定子磁链给定值计算模块分别与转矩限幅自适应控制器模块、参考电压矢量计算模块相连；参考电压矢量计算模块还与转矩磁链观测模块相连，转矩磁链观测模块的另一端与Clarke变换相连；Clarke变换与电流电压检测模块相连；电压矢量脉宽调制模块与逆变电路相连；比较模块、定子磁链给定值计算模块分别与转速检测模块相连。
3.如权利要求1所述的基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统的运行方法，其特征为该方法为以下两种方法之一：
当同步磁阻电机转速低于基速，在恒转矩区运行时，包括以下步骤：
第一步：电流电压检测电路测得两相电流ia、ib和两相电压ua、ub，经过过Clarke变换得到iα、iβ和uα、uβ，输入给转矩磁链观测模块，以估算出当前电磁转矩和当前磁链的大小，然后将其输入给参考电压矢量计算模块；
第二步：转速检测模块检测电机当前转速，其与给定转速经过比较模块得到转速差值，转速差值经过PI调节器和转矩限幅自适应控制模块得到转矩给定值，转矩给定值一路输入给参考电压矢量计算模块，一路输入给定子磁链给定值计算模块并按式(1)计算得到定子磁链给定值，定子磁链给定值再输入到参考电压矢量计算模块，
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式中Ld、Lq分别是是电机的直轴电感和交轴电感，p是电机极对数，Te*是转矩给定值，
第三步：参考电压矢量计算模块根据转矩给定值、定子磁链给定值和当前转矩、当前磁链计算得到参考电压矢量，参考电压矢量再经过电压矢量脉宽调制模块得到六路PWM控制信号，六路PWM控制信号输入给逆变电路，逆变电路产生三相电压来驱动同步磁阻电机运行；
或者，当同步磁阻电机转速超过基速，运行在弱磁区时，包括以下步骤：
第一步：电流电压检测电路测得两相电流ia、ib和两相电压ua、ub，经过过Clarke变换得到iα、iβ和uα、uβ，输入给转矩磁链观测模块，以估算出当前电磁转矩和当前磁链的大小，然后将其输入给参考电压矢量计算模块；
第二步：转速检测模块检测电机当前转速，一路当前转速输入给定子磁链给定值计算模块，根据式(2)计算得到定子磁链给定值，
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式中ω是电机转子电角速度，
定子磁链给定值一路输入给参考电压矢量计算模块，另一路输入给转矩限幅自适应控制模块，根据式(3)(4)分别计算并选取其中的较小值作为转矩的限幅值，
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其中Tadj是自适应变量，
另一路当前转速信号与给定转速经过比较模块得到转速差值，转速差值经过PI调节器和转矩限幅自适应控制模块得到转矩给定值，转矩给定值输入给参考电压矢量计算模块，
第三步：参考电压矢量计算模块根据转矩给定值、定子磁链给定值和当前转矩、当前磁链计算得到参考电压矢量，参考电压矢量再经过电压矢量脉宽调制模块得到六路PWM控制信号，六路PWM控制信号输入给逆变电路，逆变电路产生三相电压来驱动同步磁阻电机运行。
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| CN201710465148.6A Pending CN107086837A (zh) | 2017-06-19 | 2017-06-19 | 一种基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统 |
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- 2017-06-19 CN CN201710465148.6A patent/CN107086837A/zh active Pending
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