CN107592046B - 一种同步磁阻电机的无传感dtc控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

一种同步磁阻电机无传感DTC控制方法及控制系统，涉及电机领域。同步磁阻电机的速度控制，需要速度传感器、位置脉冲编码器或磁通传感器等反馈信息，安装结构要求高，成本大。本发明包括以下步骤：1)电量采集；2)观测估算；3)速度环PI控制；4)直轴电感辨识；5)控制优化；6)DTC控制；7)驱动输出，将步骤6)输出的控制信号转换为驱动同步磁阻电机所需的电信号实现对同步磁阻电机的控制。在本技术方案中，无需安装相应的速度传感器或位置脉冲编码器或磁通传感器等，安装方便，降低结构要求，从而有效降低生产成本，提高生产效率，且可以有效地控制同步磁阻电机稳定可靠运行，启动转矩大，动态性能好，稳态运行效率高，弱磁扩速能力强。

Description

一种同步磁阻电机的无传感DTC控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其是一种同步磁阻电机的无传感DTC控制方法。

背景技术

同步磁阻电机，又称为磁阻式同步电机，在本质上也是同步电机，但是其产生电磁转矩的原理与传统同步电机不同。其转子由有特定形状的高导磁材料叠片叠压而成。由于特定的转子叠片使得d轴磁路在通过转子时主要通过高导磁材料闭合，q轴磁路通过转子时，需要多次穿越气隙。因此同步磁阻电机d轴磁路磁阻很小，而在q轴方向的磁阻很大。这种磁阻的巨大差异使得电机转子呈现强烈的凸极性，从而产生磁阻性质的驱动转矩。

在异步电机控制中，由于异步电机本身功率因数低，且又存在转子绕组损耗，同步磁阻电机在相同变频应用场合具有了更高的功率因数，也因其特殊的转子结构而不存在转子绕组损耗。

通常，同步磁阻电机的速度控制方法需要获得电机的速度信息或转子位置信息或磁通信息。因此需要安装相应的速度传感器或位置脉冲编码器或磁通传感器等，只是这些传感器在大部分的应用场合设置较为困难，不仅对安装结构提出了更高的要求，而且也增加了整个系统固件的经济成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种同步磁阻电机的DTC控制方法，以有效提升同步磁阻电机的控制性能为目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种同步磁阻电机无传感DTC控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)电量采集，检测同步磁阻电机驱动器输出的两相电流和系统母线电压，结合电机定子电阻参数和电压重构方法，求取驱动器定子侧静止坐标系下电压、电流及反电势；

2)观测估算，根据步骤1)获得的电量数据，进行磁链观测、转矩观测和转速观测及估算，并把相应结果反馈给控制优化步骤、DTC控制步骤和速度环PI控制步骤；

3)速度环PI控制，根据步骤2)获取的转速转速观测值进行调节控制；

4)直轴电感辨识，根据步骤1)获得的电量信息估算直轴电感，为控制优化步骤提供在线电机参数；

5)控制优化，根据电流极限圆、电压极限圆的约束和控制条件，并通过步骤4)和步骤2)的数据信息计算相应给定磁链参考、限幅值和相应转矩限幅值；

6)DTC控制，获取步骤2)、步骤5)、步骤3)信息，依据磁链参考角并结合磁链滞环和转矩滞环，计算所得扇区号，进行DTC的查表，并输出控制信号给驱动输出步骤；

7)驱动输出，将步骤6)输出的控制信号转换为驱动同步磁阻电机所需的电信号实现对同步磁阻电机的控制。

在本技术方案中，无需安装相应的速度传感器或位置脉冲编码器或磁通传感器等，安装方便，降低结构要求，从而有效降低生产成本，提高生产效率。

本技术方案可以有效地控制同步磁阻电机稳定可靠运行，启动转矩大，动态性能好，稳态运行效率高，弱磁扩速能力强。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

进一步的，电压重构时，依据公式(1)计算获得：

式中，U_pa、U_pb、U_pc即为重构所得三相电压值，U_dc为驱动器母线电压，Ta、Tb、Tc为驱动器各桥臂输出的占空比，上述数据均为标幺值；

依据公式(1)重构所得的三相电压和CLARKE静止坐标变换公式(2)，求得定子侧静止坐标系下的电压分量，再根据公式(3)求得驱动器反电势；

其中，R_s即为定子侧相电阻。

进一步的，磁链观测一方面为DTC控制模块的磁链滞环提供反馈值，另一方面为DTC控制模块的扇区计算提供参考角；转矩观测为DTC控制的转矩滞环提供反馈值；转速观测为速度PI控制模块提供反馈值。

进一步的，

磁链观测根据公式4磁链观测值的计算公式为：

式中，即为静止坐标系下的磁链分量；

转矩估算的计算公式为：

式中，p为电机极对数；

转速估算的计算公式为：

式中，|E|、分别为反电势和磁链的模值。

进一步的，在步骤4)中，直轴电感辨识依据参数初始值和实时电流值进行近似计算获得，计算公式为：

L_d＝L_d0+k*i_d (7)

式中，L_d0为直轴电感初始值，k为比例系数，小于0，i_d为直轴电流值，L_d为实时辨识所得直轴电感参数。

进一步的，在步骤5)中，电压极限圆即输出电压不超过系统所能够输出的极限电压，电压极限圆的表达公式为：

式中，L_q、L_d为同步磁阻电机交直轴电感值，i_q、i_d为交直轴电流值，U_lim为电压极限值，ω为转子电角速度；

电流极限圆的表达公式为：

i_α ²+i_β ²＝i_d ²+i_q ²≤I_lim ² (9)

式中，I_lim为电流极限值。

进一步的，电流极限圆、电压极限圆的约束和控制条件包括作为最大转矩控制的MTC、作为最大转矩电流比控制的MTPA、作为最大功率因数控制MPC、作为最大转矩变化率控制的MRCTC。

进一步的，MTC最大转矩控制，结合公式(14)，得出当i_d＝i_q时输出最大转矩；此时γ＝45°，

MTPA最大转矩电流比控制，结合公式(14)得出δ＝π/4，即λ_d＝λ_q＝L_di_d＝L_qi_q,亦即其中/>为同步磁阻电机凸极率；MRCTC最大转矩变化率控制，结合公式(14)得出:/>即当/>时，满足MRCTC控制；MPC最大功率因数控制，当满足/>时即为最大功率因数控制。

进一步的，在步骤5)中，控制优化基于mt坐标系，将dq坐标系转换到mt坐标系下，其中m坐标与磁链矢量方向一致，获得以下转换公式：

根据以上转换公式得到mt坐标系下的电感值的计算公式：

本发明的更一个发明目的是提供一种同步磁阻电机无传感DTC控制系统。

一种同步磁阻电机无传感DTC控制系统，包括电量采集模块、观测估算模块、速度环PI控制模块、直轴电感辨识模块、控制优化模块、DTC控制模块、驱动输出模块；所述的电量采集模块的输出端与观测估算模块、直轴电感辨识模块的输入端相连；所述的观测估算模块的输出端与控制优化模块、DTC控制模块及速度环PI控制模块的输入端相连；速度环PI控制模块的输出端与DTC控制模块输入端相连；直轴电感辨识模块的输出端与控制优化模块的输入端相连；控制优化模块的输出端与DTC控制模块的输入端相连；DTC控制模块的输出端与驱动输出模块的输入端相连；驱动输出模块的输出端与同步磁阻电机相连；其中：

电量采集模块，用于完成同步磁阻电机驱动器输出的两相电流和系统母线电压，结合电机定子电阻参数和电压重构方法，求取驱动器定子侧静止坐标系下电压、电流及反电势；

观测估算模块，用于根据电量采集模块所采集和计算的电量实现磁链观测、转矩观测和转速观测及估算，并把相应结果反馈给控制优化模块、DTC控制模块和速度环PI控制模块；

直轴电感辨识模块，用于根据电量采集模块测得的电量信息估算直轴电感，为控制优化模块提供在线电机参数；

控制优化模块，用于根据电流极限圆、电压极限圆的约束和控制条件，并通过直轴电感辨识模块和观测估算模块的反馈信息计算相应给定磁链参考、限幅值和相应转矩限幅值；

DTC控制模块，用于依据观测估算模块、控制优化模块及速度环PI控制模块提供的反馈信息，计算所得扇区号进行DTC的查表，并输出控制信号给驱动输出模块；

驱动输出模块，用于将DTC控制模块输出的控制信号转换为驱动同步磁阻电机所需的电信号实现对同步磁阻电机的控制。

有益效果：通过本控制方法可以有效地控制同步磁阻电机稳定可靠运行，启动转矩大，动态性能好，稳态运行效率高，弱磁扩速能力强。

将无传感DTC控制技术应用在针对同步磁阻电机的控制中，使得系统具有更快的转矩响应，也节省了速度传感器的安装。

附图说明

图1是本发明流程图。

图2是本发明无传感DTC控制流程示意图。

图3是本发明控制优化的mt坐标系示意图。

图4是本发明的结构框图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1-图3所示，一种同步磁阻电机无传感DTC控制方法，其包括以下步骤：

1)电量采集，检测同步磁阻电机驱动器输出的两相电流和系统母线电压，结合电机定子电阻参数和电压重构方法，求取驱动器定子侧静止坐标系下电压、电流及反电势；

2)观测估算，根据步骤1)获得的电量数据，进行磁链观测、转矩观测和转速观测及估算，并把相应结果反馈给控制优化步骤、DTC控制步骤和速度环PI控制步骤；

3)速度环PI控制，根据步骤2)获取的转速转速观测值进行调节控制；

4)直轴电感辨识，根据步骤1)获得的电量信息估算直轴电感，为控制优化步骤提供在线电机参数；

5)控制优化，根据电流极限圆、电压极限圆的约束和控制条件，并通过步骤4)和步骤2)的数据信息计算相应给定磁链参考、限幅值和相应转矩限幅值；

6)DTC控制，获取步骤2)、步骤5)、步骤3)信息，依据磁链参考角并结合磁链滞环和转矩滞环，计算所得扇区号，进行DTC的查表，并输出控制信号给驱动输出步骤；

7)驱动输出，将步骤6)输出的控制信号转换为驱动同步磁阻电机所需的电信号实现对同步磁阻电机的控制。

在步骤1)，电压重构时，依据公式(1)计算获得：

式中，U_pa、U_pb、U_pc即为重构所得三相电压值，U_dc为驱动器母线电压，Ta、Tb、Tc为驱动器各桥臂输出的占空比，上述数据均为标幺值；

依据公式(1)重构所得的三相电压和CLARKE静止坐标变换公式(2)，求得定子侧静止坐标系下的电压分量，再根据公式(3)求得驱动器反电势；

其中，R_s即为定子侧相电阻。

磁链观测为DTC控制步骤的磁链滞环提供反馈值，为DTC控制步骤的扇区计算提供参考角；转矩观测为DTC控制的转矩滞环提供反馈值；转速观测为速度PI控制步骤提供反馈值。

在步骤2)中，磁链观测值的计算公式为：

式中，即为静止坐标系下的磁链分量；

转矩估算的计算公式为：

式中，p为电机极对数；

转速估算的计算公式为：

式中，|E|、分别为反电势和磁链的模值。

进一步的，在步骤4)中，直轴电感辨识依据参数初始值和实时电流值进行近似计算获得，计算公式为：

L_d＝L_d0+k*i_d (7)

式中，L_d0为直轴电感初始值，k为比例系数，小于0，i_d为直轴电流值，L_d为实时辨识所得直轴电感参数。

进一步的，在步骤5)中，电压极限圆即输出电压不超过系统所能够输出的极限电压，电压极限圆的表达公式为：

式中，L_q、L_d为同步磁阻电机交直轴电感值，i_q、i_d为交直轴电流值，U_lim为电压极限值，ω为转子电角速度；

电流极限圆的表达公式为：

i_α ²+i_β ²＝i_d ²+i_q ²≤I_lim ² (9)

式中，I_lim为电流极限值。

其中，电流极限圆、电压极限圆的约束和控制条件包括作为最大转矩控制的MTC、作为最大转矩电流比控制的MTPA、作为最大功率因数控制MPC、作为最大转矩变化率控制的MRCTC。

MTC最大转矩控制，结合公式(14)，得出当i_d＝i_q时输出最大转矩；此时γ＝45°，

MTPA最大转矩电流比控制，结合公式(14)得出δ＝π/4，即λ_d＝λ_q＝L_di_d＝L_qi_q,亦即其中/>为同步磁阻电机凸极率；MRCTC最大转矩变化率控制，结合公式(14)得出:/>即当/>时，满足MRCTC控制；MPC最大功率因数控制，当满足/>时即为最大功率因数控制。

在步骤5)中，控制优化基于mt坐标系，将dq坐标系转换到mt坐标系下，其中m坐标与磁链矢量方向一致，获得以下转换公式：

根据以上转换公式得到mt坐标系下的电感值的计算公式：

如图4所示，一种同步磁阻电机无传感DTC控制系统，其包括：电量采集模块、观测估算模块、速度环PI控制模块、直轴电感辨识模块、控制优化模块、DTC控制模块、驱动输出模块；所述的电量采集模块的输出端与观测估算模块、直轴电感辨识模块的输入端相连；所述的观测估算模块的输出端与控制优化模块、DTC控制模块及速度环PI控制模块的输入端相连；速度环PI控制模块的输出端与DTC控制模块输入端相连；直轴电感辨识模块的输出端与控制优化模块的输入端相连；控制优化模块的输出端与DTC控制模块的输入端相连；DTC控制模块的输出端与驱动输出模块的输入端相连；驱动输出模块的输出端与同步磁阻电机相连；其中：

电量采集模块，用于完成同步磁阻电机驱动器输出的两相电流和系统母线电压，结合电机定子电阻参数和电压重构方法，求取驱动器定子侧静止坐标系下电压、电流及反电势；

观测估算模块，用于根据电量采集模块所采集和计算的电量实现磁链观测、转矩观测和转速观测及估算，并把相应结果反馈给控制优化模块、DTC控制模块和速度环PI控制模块；

直轴电感辨识模块，用于根据电量采集模块测得的电量信息估算直轴电感，为控制优化模块提供在线电机参数；

控制优化模块，用于根据电流极限圆、电压极限圆的约束和控制条件，并通过直轴电感辨识模块和观测估算模块的反馈信息计算相应给定磁链参考、限幅值和相应转矩限幅值；

DTC控制模块，用于依据观测估算模块、控制优化模块及速度环PI控制模块提供的反馈信息，计算所得扇区号进行DTC的查表，并输出控制信号给驱动输出模块；

驱动输出模块，用于将DTC控制模块输出的控制信号转换为驱动同步磁阻电机所需的电信号实现对同步磁阻电机的控制。

以上图1-图4所示的一种同步磁阻电机无传感DTC控制方法及控制系统是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种同步磁阻电机无传感DTC控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)电量采集，检测同步磁阻电机驱动器输出的两相电流和系统母线电压，结合电机定子电阻参数和电压重构方法，求取驱动器定子侧静止坐标系下电压、电流及反电势；

2)观测估算，根据步骤1)获得的电量数据，进行磁链观测、转矩观测和转速观测及估算，并把相应结果反馈给控制优化步骤、DTC控制步骤和速度环PI控制步骤；

3)速度环PI控制，根据步骤2)获取的转速观测值进行调节控制；

4)直轴电感辨识，根据步骤1)获得的电量信息估算直轴电感，为控制优化步骤提供在线电机参数；

5)控制优化，根据电流极限圆、电压极限圆的约束和控制条件，并通过步骤4)和步骤2)的数据信息计算相应给定磁链参考、限幅值和相应转矩限幅值；

6)DTC控制，获取步骤2)、步骤5)、步骤3)信息，依据磁链参考角并结合磁链滞环和转矩滞环，计算所得扇区号，进行DTC的查表，并输出控制信号给驱动输出步骤；

7)驱动输出，将步骤6)输出的控制信号转换为驱动同步磁阻电机所需的电信号实现对同步磁阻电机的控制；

在步骤1)，电压重构时，依据公式(1)计算获得：

式中，U_pa、U_pb、U_pc即为重构所得三相电压值，U_dc为驱动器母线电压，Ta、Tb、Tc为驱动器各桥臂输出的占空比，上述数据均为标幺值；

依据公式(1)重构所得的三相电压和CLARKE静止坐标变换公式(2)，求得定子侧静止坐标系下的电压分量，再根据公式(3)求得驱动器反电势；

其中，R_s即为定子侧相电阻；

在步骤2)中，磁链观测值的计算公式为：

式中，即为静止坐标系下的磁链分量；

转矩估算的计算公式为：

式中，p为电机极对数；

转速估算的计算公式为：

式中，|E|、分别为反电势和磁链的模值；

在步骤4)中，直轴电感辨识依据参数初始值和实时电流值进行近似计算获得，计算公式为：

L_d＝L_d0+k*i_d (7)

式中，L_d0为直轴电感初始值，k为比例系数，小于0，i_d为直轴电流值，L_d为实时辨识所得直轴电感参数；

在步骤5)中，电压极限圆即输出电压不超过系统所能够输出的极限电压，电压极限圆的表达公式为：

式中，L_q、L_d为同步磁阻电机交直轴电感值，i_q、i_d为交直轴电流值，U_lim为电压极限值，ω为转子电角速度；

电流极限圆的表达公式为：

i_α ²+i_β ²＝i_d ²+i_q ²≤I_lim ² (9)

式中，I_lim为电流极限值；

在步骤5)中，电流极限圆、电压极限圆的约束和控制条件包括作为最大转矩控制的MTC、作为最大转矩电流比控制的MTPA、作为最大功率因数控制MPC、作为最大转矩变化率控制的MRCTC；

MTC最大转矩控制，结合公式(14)，得出当i_d＝i_q时输出最大转矩；此时γ＝45°，

MTPA最大转矩电流比控制，结合公式(14)得出δ＝π/4，即λ_d＝λ_q＝L_di_d＝L_qi_q,亦即其中/>为同步磁阻电机凸极率；MRCTC最大转矩变化率控制，结合公式(14)得出:/>即当/>时，满足MRCTC控制；MPC最大功率因数控制，当满足/>时即为最大功率因数控制；

在步骤5)中，控制优化基于mt坐标系，将dq坐标系转换到mt坐标系下，其中m坐标与磁链矢量方向一致，获得以下转换公式：

根据以上转换公式得到mt坐标系下的电感值的计算公式：

2.根据权利要求1所述的一种同步磁阻电机无传感DTC控制方法，其特征在于：在步骤2)中，磁链观测为DTC控制步骤的磁链滞环提供反馈值，为DTC控制步骤的扇区计算提供参考角；转矩观测为DTC控制的转矩滞环提供反馈值；转速观测为速度PI控制步骤提供反馈值。

3.采用权利要求1或2所述的一种同步磁阻电机无传感DTC控制方法的同步磁阻电机无传感DTC控制系统，其特征在于包括：电量采集模块、观测估算模块、速度环PI控制模块、直轴电感辨识模块、控制优化模块、DTC控制模块、驱动输出模块；所述的电量采集模块的输出端与观测估算模块、直轴电感辨识模块的输入端相连；所述的观测估算模块的输出端与控制优化模块、DTC控制模块及速度环PI控制模块的输入端相连；速度环PI控制模块的输出端与DTC控制模块输入端相连；直轴电感辨识模块的输出端与控制优化模块的输入端相连；控制优化模块的输出端与DTC控制模块的输入端相连；DTC控制模块的输出端与驱动输出模块的输入端相连；驱动输出模块的输出端与同步磁阻电机相连；其中：

电量采集模块，用于完成同步磁阻电机驱动器输出的两相电流和系统母线电压，结合电机定子电阻参数和电压重构方法，求取驱动器定子侧静止坐标系下电压、电流及反电势；

观测估算模块，用于根据电量采集模块所采集和计算的电量实现磁链观测、转矩观测和转速观测及估算，并把相应结果反馈给控制优化模块、DTC控制模块和速度环PI控制模块；

速度环PI控制模块，用于根据观测估算模块所获取的转速观测值进行调节控制；

直轴电感辨识模块，用于根据电量采集模块测得的电量信息估算直轴电感，为控制优化模块提供在线电机参数；

控制优化模块，用于根据电流极限圆、电压极限圆的约束和控制条件，并通过直轴电感辨识模块和观测估算模块的反馈信息计算相应给定磁链参考、限幅值和相应转矩限幅值；

DTC控制模块，用于依据观测估算模块、控制优化模块及速度环PI控制模块提供的反馈信息，计算所得扇区号进行DTC的查表，并输出控制信号给驱动输出模块；

驱动输出模块，用于将DTC控制模块输出的控制信号转换为驱动同步磁阻电机所需的电信号实现对同步磁阻电机的控制。