CN108448982A - 一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法，通过理论推导得出一种新的电压矢量的计算方法，减少PI调节器个数，用预测控制算法得到(k+1)时刻的磁链和转矩值，以此来消除一拍延时的问题。有效的减少了在对PI参数设定时的工作量，消除一拍延时，使系统具有更小的转矩波动。借助于预测算法消除一拍延时的影响，采用计算方法得到的x轴电压分量理论上可以是定子磁链达到无差拍控制效果，则进一步减小转矩波动，y轴电压分量通过PI调节器得到，可以保证系统在运行中达到转矩无静差的效果，从而可以消除由于电机参数变化而造成的静态误差问题。

Description

一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机的控制方法。特别是涉及一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法。

背景技术

传统的基于空间电压矢量调制的直接转矩控制方法利用磁链和转矩的观测值与各自的给定做差得到磁链和转矩的误差值Δψ_s和ΔT_e，将转矩误差值经过一个PI调节器得到参考电压矢量的幅值，将磁链误差经过一个PI调节器得到参考电压矢量的相角，然后通过SVPWM将所得的电压矢量合成作用电机，但过多的PI调节器会增加调试阶段的工作量，而且传统方法中并没有给出具体的理论推导。传统方法在数字控制系统当中，由于硬件和软件所耗费的时间，使控制系统中普遍存在控制延时的现象，这导致需要的电压值与实时运行情况不匹配。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够有效的减少在对PI参数设定时的工作量，消除一拍延时，使系统具有更小转矩波动的基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法，包括如下步骤：

1)在k时刻，由控制系统对物理量进行采样，具体包括：电机转子电角速度ω_e，转子位置角θ，第k时刻的电机ABC三相电流i_A(k)、i_B(k)和i_C(k)，直流母线电压u_dc(k)；并求解ABC三相电流的d轴和q轴的电流分量i_d、i_q；

2)将转速误差Δω_e通过PI调节器计算得到电磁转矩参考值T_e ^*，将定子磁链参考值保持恒定为ψ_s ^*；

3)利用电机离散预测模型，根据k时刻电机实际电流在d轴和q轴的电流分量i_d(k)、i_q(k)和经过(k-1)时刻计算的d轴和q轴的电压矢量V_d、V_q，以及k时刻电机转子电角速度ω_e，得到(k+1)时刻在d轴和q轴的预测电流值i_d(k+1)、i_q(k+1)，根据预测电流值i_d(k+1)和i_q(k+1)，预测得到控制周期结束时在d轴和q轴的定子磁链分量ψ_d(k+1)，ψ_q(k+1)，从而预测得到在k时刻控制周期结束时定子磁链和电磁转矩ψ_s(k+1)，T_e(k+1)；

4)根据计算得到的电磁转矩参考值T_e ^*、定子磁链参考值ψ_s ^*、电磁转矩T_e(k+1)、定子磁链ψ_s(k+1)的值，计算k+1时刻的定子磁链误差和电磁转矩误差Δψ_s，ΔT_e；

5)将转矩误差ΔT_e通过PI调节器计算得到电压矢量基于定子磁链定向的旋转坐标轴的y轴电压分量V_y(k+1)，然后通过对磁链误差进行计算得到电压矢量基于定子磁链定向的旋转坐标轴的x轴电压分量V_x(k+1)，其中x轴y轴是以定子磁链定向的旋转坐标轴；

6)将旋转坐标轴的y轴电压分量V_y(k+1)和x轴电压分量V_x(k+1)通过坐标变换求出在固定轴α轴和固定轴β轴的电压分量V_α(k+1)和V_β(k+1)，然后采用两电平SVPWM调制策略，根据在k时刻计算出的参考电压矢量在α轴和β轴的电压分量V_α(k+1)、V_β(k+1)和转子位置角θ，计算驱动六桥臂逆变器的六路PWM脉冲的占空比，并获得六路PWM脉冲信号，在k+1时刻输出六路PWM脉冲信号作用于六桥臂逆变器，得到与所述的电压分量V_α(k+1)和V_β(k+1)相对应的电压矢量，输出相对应的电压矢量作用于电机，同时在k+1时刻返回步骤1，循环运行。

步骤3)所述的d轴和q轴的预测电流值i_d(k+1)、i_q(k+1)是利用电机离散预测模型得到，具体的计算公式如下：

式中，V_d(k)和V_q(k)是k时刻作用于电机的电压矢量在d轴和q轴上的分量，即为在(k-1)时刻计算出的下一时刻的参考电压矢量值；R_s是定子电阻值，T_s为IGBT开关周期，同时也为系统控制周期；L_d、L_q为定子d轴和q轴电感，ψ_f为转子永磁体磁链；ω_e为当前采样周期kT_s时的转速值，由于电机的机械常数对电气常数而言比较大，所以设定在整个控制周期不发生变化，即ω_e(k+1)＝ω_e(k)。

步骤5)所述的计算电压矢量基于定子磁链定向的旋转坐标轴的y轴电压分量V_y(k+1)，以及计算电压矢量基于定子磁链定向的旋转坐标轴的x轴电压分量V_x(k+1)是采用如下公式：

式中K_p为PI调节器比例系数，K_i为PI调节器积分系数，Δψ_s和ΔT_e为k+1时刻的定子磁链误差和电磁转矩误差，T_s为IGBT开关周期，同时也为系统控制周期。

本发明的一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法，针对多个PI调节器参数设定繁琐，数字控制系统普遍存在控制延时的问题，通过理论推导得出一种新的电压矢量的计算方法，减少PI调节器个数，用预测控制算法得到(k+1)时刻的磁链和转矩值，以此来消除一拍延时的问题。有效的减少了在对PI参数设定时的工作量，消除一拍延时，使系统具有更小的转矩波动。借助于预测算法消除一拍延时的影响，采用计算方法得到的x轴电压分量理论上可以是定子磁链达到无差拍控制效果，则进一步减小转矩波动，y轴电压分量通过PI调节器得到，可以保证系统在运行中达到转矩无静差的效果，从而可以消除由于电机参数变化而造成的静态误差问题。

附图说明

图1是本发明基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法的主电路与控制系统结构图；

图2是本发明一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法的理论推导图；

图3是本发明一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法做出详细说明。

本发明的一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法的直接转矩控制主电路及控制系统如图1所示；图中，PI表示比例积分控制器，电机转速和位置信息由增量式编码器获得，ABC/dq表示由ABC三相坐标系转换为d轴和q轴两相旋转坐标系的变换方程对应说明书中式(2)。

如图3所示，本发明的一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法，包括如下步骤：

1)在k时刻，由控制系统对物理量进行采样，具体包括：电机转子电角速度ω_e，转子位置角θ，第k时刻的电机ABC三相电流i_A(k)、i_B(k)和i_C(k)，直流母线电压u_dc(k)；并求解ABC三相电流的d轴和q轴的电流分量i_d、i_q；

ABC三相电流的d轴和q轴的电流分量i_d、i_q是采用如下公式计算：

式中，i_d(k)和i_q(k)为电机实际电流的d、q轴分量；M_ABC/αβ为由ABC三相静止坐标系到α和β两相静止坐标系的变换矩阵；M_αβ/dq为由α和β两相静止坐标系到d、q轴两相旋转坐标系的变换矩阵；具体表达式如下：

式中，θ为k时刻d轴与α轴的夹角

2)将转速误差Δω_e通过PI调节器计算得到电磁转矩参考值T_e ^*，将定子磁链参考值保持恒定为ψ_s ^*；

3)利用电机离散预测模型，根据k时刻电机实际电流在d轴和q轴的电流分量i_d(k)、i_q(k)和经过(k-1)时刻计算的d轴和q轴的电压矢量V_d、V_q，以及k时刻电机转子电角速度ω_e，得到(k+1)时刻在d轴和q轴的预测电流值i_d(k+1)、i_q(k+1)，根据预测电流值i_d(k+1)和i_q(k+1)，预测得到控制周期结束时在d轴和q轴的定子磁链分量ψ_d(k+1)，ψ_q(k+1)，从而预测得到在k时刻控制周期结束时定子磁链和电磁转矩ψ_s(k+1)，T_e(k+1)；

所述的d轴和q轴的预测电流值i_d(k+1)、i_q(k+1)是利用电机离散预测模型得到，具体的计算公式如下：

式中，V_d(k)和V_q(k)是k时刻作用于电机的电压矢量在d轴和q轴上的分量，即为在(k-1)时刻计算出的下一时刻的参考电压矢量值；R_s是定子电阻值，T_s为IGBT开关周期，同时也为系统控制周期；L_d、L_q为定子d轴和q轴电感，ψ_f为转子永磁体磁链；ω_e为当前采样周期kT_s时的转速值，由于电机的机械常数对电气常数而言比较大，所以设定在整个控制周期不发生变化，即ω_e(k+1)＝ω_e(k)。

根据预测电流值i_d(k+1)、i_q(k+1)，从下式可以预测得到控制周期结束时在d轴和q轴的定子磁链分量ψ_d(k+1)，ψ_q(k+1)：

从而从下式可以预测得到在k时刻控制周期结束时定子磁链和电磁转矩ψ_s(k+1)，T_e(k+1)：

4)根据计算得到的电磁转矩参考值T_e ^*、定子磁链参考值ψ_s ^*、电磁转矩T_e(k+1)、定子磁链ψ_s(k+1)的值，计算k+1时刻的定子磁链误差和电磁转矩误差Δψ_s，ΔT_e，计算公式如下：

5)由图2可以得到，转矩角的变化Δδ和参考电压矢量的y轴分量成比例，磁链幅值的变化与参考电压矢量的x轴分量成比例，所以有以下推导公式，将转矩误差ΔT_e通过PI调节器计算得到电压矢量基于定子磁链定向的旋转坐标轴的y轴电压分量V_y(k+1)，然后通过对磁链误差进行计算得到电压矢量基于定子磁链定向的旋转坐标轴的x轴电压分量V_x(k+1)，其中x轴y轴是以定子磁链定向的旋转坐标轴；

所述的计算电压矢量基于定子磁链定向的旋转坐标轴的y轴电压分量V_y(k+1)，以及计算电压矢量基于定子磁链定向的旋转坐标轴的x轴电压分量V_x(k+1)是采用如下公式：

式中K_p为PI调节器比例系数，K_i为PI调节器积分系数，Δψ_s和ΔT_e为k+1时刻的定子磁链误差和电磁转矩误差，T_s为IGBT开关周期，同时也为系统控制周期。

6)将旋转坐标轴的y轴电压分量V_y(k+1)和x轴电压分量V_x(k+1)通过坐标变换求出在固定轴α轴和固定轴β轴的电压分量V_α(k+1)和V_β(k+1)，具体计算公式如下：

M_αβ/xy为由αβ两相静止坐标系到dq两相旋转坐标系的变换矩阵；具体表达如下：

式中，θ为k时刻x轴与α轴的夹角；

然后采用两电平SVPWM调制策略，根据在k时刻计算出的参考电压矢量在α轴和β轴的电压分量V_α(k+1)、V_β(k+1)和转子位置角θ，计算驱动六桥臂逆变器的六路PWM脉冲的占空比，并获得六路PWM脉冲信号，在k+1时刻输出六路PWM脉冲信号作用于六桥臂逆变器，得到与所述的电压分量V_α(k+1)和V_β(k+1)相对应的电压矢量，输出相对应的电压矢量作用于电机，同时在k+1时刻返回步骤1，循环运行。

Claims (3)

1.一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在k时刻，由控制系统对物理量进行采样，具体包括：电机转子电角速度ω_e，转子位置角θ，第k时刻的电机ABC三相电流i_A(k)、i_B(k)和i_C(k)，直流母线电压u_dc(k)；并求解ABC三相电流的d轴和q轴的电流分量i_d、i_q；

2)将转速误差Δω_e通过PI调节器计算得到电磁转矩参考值T_e ^*，将定子磁链参考值保持恒定为ψ_s ^*；

3)利用电机离散预测模型，根据k时刻电机实际电流在d轴和q轴的电流分量i_d(k)、i_q(k)和经过(k-1)时刻计算的d轴和q轴的电压矢量V_d、V_q，以及k时刻电机转子电角速度ω_e，得到(k+1)时刻在d轴和q轴的预测电流值i_d(k+1)、i_q(k+1)，根据预测电流值i_d(k+1)和i_q(k+1)，预测得到控制周期结束时在d轴和q轴的定子磁链分量ψ_d(k+1)，ψ_q(k+1)，从而预测得到在k时刻控制周期结束时定子磁链和电磁转矩ψ_s(k+1)，T_e(k+1)；

4)根据计算得到的电磁转矩参考值T_e ^*、定子磁链参考值ψ_s ^*、电磁转矩T_e(k+1)、定子磁链ψ_s(k+1)的值，计算k+1时刻的定子磁链误差和电磁转矩误差Δψ_s，ΔT_e；

5)将转矩误差ΔT_e通过PI调节器计算得到电压矢量基于定子磁链定向的旋转坐标轴的y轴电压分量V_y(k+1)，然后通过对磁链误差进行计算得到电压矢量基于定子磁链定向的旋转坐标轴的x轴电压分量V_x(k+1)，其中x轴y轴是以定子磁链定向的旋转坐标轴；

6)将旋转坐标轴的y轴电压分量V_y(k+1)和x轴电压分量V_x(k+1)通过坐标变换求出在固定轴α轴和固定轴β轴的电压分量V_α(k+1)和V_β(k+1)，然后采用两电平SVPWM调制策略，根据在k时刻计算出的参考电压矢量在α轴和β轴的电压分量V_α(k+1)、V_β(k+1)和转子位置角θ，计算驱动六桥臂逆变器的六路PWM脉冲的占空比，并获得六路PWM脉冲信号，在k+1时刻输出六路PWM脉冲信号作用于六桥臂逆变器，得到与所述的电压分量V_α(k+1)和V_β(k+1)相对应的电压矢量，输出相对应的电压矢量作用于电机，同时在k+1时刻返回步骤1，循环运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法，其特征在于，步骤3)所述的d轴和q轴的预测电流值i_d(k+1)、i_q(k+1)是利用电机离散预测模型得到，具体的计算公式如下：

式中，V_d(k)和V_q(k)是k时刻作用于电机的电压矢量在d轴和q轴上的分量，即为在(k-1)时刻计算出的下一时刻的参考电压矢量值；R_s是定子电阻值，T_s为IGBT开关周期，同时也为系统控制周期；L_d、L_q为定子d轴和q轴电感，ψ_f为转子永磁体磁链；ω_e为当前采样周期kT_s时的转速值，由于电机的机械常数对电气常数而言比较大，所以设定在整个控制周期不发生变化，即ω_e(k+1)＝ω_e(k)。

3.根据权利要求1所述的一种基于空间电压矢量预测的直接转矩控制方法，其特征在于，步骤5)所述的计算电压矢量基于定子磁链定向的旋转坐标轴的y轴电压分量V_y(k+1)，以及计算电压矢量基于定子磁链定向的旋转坐标轴的x轴电压分量V_x(k+1)是采用如下公式：

式中K_p为PI调节器比例系数，K_i为PI调节器积分系数，Δψ_s和ΔT_e为k+1时刻的定子磁链误差和电磁转矩误差，T_s为IGBT开关周期，同时也为系统控制周期。