CN108512473B - 三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，包括：步骤一、利用三相四开关逆变器产生的四个不平衡电压矢量，重构出六个基本电压矢量，步骤二、获取永磁同步电机位置，并计算得到电机转速，得到参考转矩给定值

步骤三、计算得到电机定子磁链和反馈转矩，以电机转矩和定子磁链作为控制对象，求取输出电压分量u_sq和u_sd，步骤四、根据电压分量u_sq和u_sd得到参考电压矢量

判断电压矢量

所在扇区，以位于该扇区中的重构得到的有效电压矢量以及零矢量作为备选电压矢量。选取评价函数，将备选电压矢量带入评价函数G，通过使得评价函数G最小，得到输出电压矢量u_i。本发明能达到对转矩精确控制的效果。

Description

三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，属于电机控制领域。

背景技术

永磁同步电机直接转矩控制方法具有控制结构简单、动态响应快速的优点，在日常生活和工业生产中有着广泛的应用。通常，永磁同步电机直接转矩控制调速系统由三相六开关电压源逆变器馈电。为了减小开关管数量，降低驱动系统的硬件成本和功耗，三相四开关逆变器电机驱动系统得到了越来越多的关注。此外，当三相六开关逆变器的某一相桥臂发生短路、断路等故障情况时，通过设计三相四开关逆变器容错结构，可以提高驱动系统的可靠性，保障电机在逆变器故障状态下继续稳定运行。

永磁同步电机传统直接转矩控制方法将电机与逆变器视为一个整体，在每一个控制周期中从开关矢量表中选取一个固定的电压矢量对转矩和定子磁链进行控制。与三相六开关逆变器相比，三相四开关逆变器拓扑只能产生四个基本电压矢量，且它们的幅值也不完全相同。因而，基于开关矢量表的三相四开关永磁同步电机传统直接转矩控制方法控制精度有限，转矩和磁链波动也会变大，影响电机运行性能，因此有必要加以改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，以提升三相四开关永磁同步电机的控制精度。

本发明采用了如下技术方案：

一种三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，其特征在于，包括：

步骤一、利用三相四开关逆变器产生的四个不平衡电压矢量，重构出在坐标平面对称分布的六个基本电压矢量以及零电压矢量，

步骤二、获取永磁同步电机位置，并计算得到电机转速，通过滑模速度控制器得到参考转矩给定值

步骤三、获取永磁同步电机三相电流，并计算得到电机定子磁链和反馈转矩，以电机转矩和定子磁链作为控制对象，求取输出电压分量u_sq和u_sd，

步骤四、根据电压分量u_sq和u_sd得到参考电压矢量

判断电压矢量u_s*所在扇区，以位于该扇区中的重构得到的有效电压矢量以及零矢量作为备选电压矢量。选取评价函数

将备选电压矢量带入评价函数G，通过使得评价函数G最小，选择出最终的输出电压矢量u_i。

进一步，本发明的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，还具有这样的特征：步骤一中，重构出的六个电压矢量在坐标平面对称分布，依次相差60°，且幅值相等，六个电压矢量将坐标平面平分为六个扇区，分别为扇区Ⅰ、扇区Ⅱ、扇区Ⅲ、扇区Ⅳ、扇区Ⅴ、扇区Ⅵ。

进一步，本发明的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，还具有这样的特征：其中，扇区Ⅰ的范围是(-π/6，π/6)；扇区Ⅱ的范围是(π/6，π/2)，扇区Ⅲ的范围是(π/2，5π/6)，扇区Ⅳ的范围是(5π/6，7π/6)，扇区Ⅴ的范围是(7π/6，3π/2)，扇区Ⅵ的范围是(3π/2，11π/6)。

进一步，本发明的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，还具有这样的特征：步骤二中，通过转速传感器获取永磁同步电机位置θ_r，求得电机转速ω_r，以给定转速ω_r ^*和反馈转速ω_r作为速度滑模控制器的输入，速度滑模控制器的输出为参考转矩

进一步，本发明的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，还具有这样的特征：其中，所述参考转矩

的计算公式如下：

其中，c、ε和k是系数，B是摩擦系数，J是转动惯量，状态变量x₁和x₂表示为

s＝cx₁+x₂,c＞0

fal(s,α,δ)函数表示为

进一步，本发明的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，还具有这样的特征：

步骤三中，

其中，i_sd，i_sq，ψ_sd，ψ_sq分别是两相同步旋转dq坐标系下的定子电压、电流和磁链分量，R_s是定子电阻，L_d和L_q分别是dq轴电感，ω是转子电角速度，n_p是电机极对数，T_s是控制周期。

发明的有益效果

本发明通过对三相四开关逆变器输出的四个不平衡电压矢量进行组合作用，得到在坐标平面对称分布的六个平衡的基本电压矢量，达到模拟三相六开关逆变器运行的功能，更利于对永磁同步电机进行控制。以转矩和定子磁链为控制目标，求取出参考电压矢量，选取评价函数，以误差最小为原则得到输出电压矢量，以达到对转矩精确控制的效果，提升电机控制系统的运行性能。

附图说明

图1是本发明适用的三相四开关驱动永磁同步电机调速系统结构图，

图2是三相四开关逆变器基本电压矢量示意图，

图3是等效电压矢量图，

图4是本发明永磁同步电机控制系统原理框图

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

图1为本发明专利所实施的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机调速系统的功率主回路结构图。如图1所示，电机的B相和C相连接到逆变器的两相正常桥臂上，A相连接到直流电容中性点。

以S_x(x＝B、C)表示B、C两相桥臂上功率开关管的开关状态，S_x＝1时桥臂上管导通下管关断，S_x＝0时桥臂下管导通上管关断。两相桥臂上的四只开关管共有四种开关状态，可以得到四个基本的电压矢量V₁、V₂、V₃和V₄。如图2所示为三相四开关逆变器的四个基本电压矢量示意图，四个电压矢量在坐标平面上的分布呈现出不对称的特性。其中，电压矢量V₁和V₃的幅值为

电压矢量V₂和V₄的幅值为

且它们在平面上依次相差90°。

通过三相四开关逆变器的四个不平衡的电压矢量组合作用，重构出六个在平面上呈对称分布的电压矢量，可以等效为三相六开关逆变器所产生的基本电压矢量。具体过程如下：

连续作用两次电压矢量V₁，以产生电压矢量V₁₁。连续作用两次电压矢量V₃，以产生电压矢量V₃₃。电压矢量V₁₁和V₃₃的幅值是

方向分别与电压矢量V₁和V₃相同。以电压矢量V_ij表示两个连续的电压矢量V_i和V_j的合成，其中1≤i≤4，1≤j≤4，且i≠j。由于四个基本电压矢量在平面上呈相差90°分布，那么电压矢量V_ij的幅值为

所重构出的四个电压矢量V₁₂、V₂₃、V₃₄和V₄₁，它们的幅值为

电压矢量V₁₂表示依次作用电压矢量V₁和V₂，电压矢量V₂₃表示依次作用电压矢量V₂和V₃，电压矢量V₃₄表示依次作用电压矢量V₃和V₄，电压矢量V₄₁表示依次作用电压矢量V₄和V₁。

重构出的电压矢量V₁₁、V₃₃、V₁₂、V₂₃、V₃₄和V₄₁的幅值相同，均为

且在平面上依次相差60°分布，可以等效为三相六开关逆变器产生的6个有效电压矢量。此外，依次作用电压矢量V₁和V₃以及V₂和V₄可以产生零电压矢量。

如图3所示，为重构后产生的等效电压矢量图，与此同时坐标平面平分为6个扇区，分别是扇区Ⅰ、扇区Ⅱ、扇区Ⅲ、扇区Ⅳ、扇区Ⅴ、扇区Ⅵ，其中：扇区Ⅰ的范围是(-π/6，π/6)；扇区Ⅱ的范围是(π/6，π/2)，扇区Ⅲ的范围是(π/2，5π/6)，扇区Ⅳ的范围是(5π/6，7π/6)，扇区Ⅴ的范围是(7π/6，3π/2)，扇区Ⅵ的范围是(3π/2，11π/6)。

永磁同步电机在两相旋转dq轴坐标系上的电压方程关系式表示如下：

u_sd＝R_si_sd+pψ_sd-ωψ_sq (2)

u_sq＝R_si_sq+pψ_sq+ωψ_sd (3)

机械运动方程关系式表示如下：

定子磁链关系式表示如下：

ψ_sd＝L_di_sd+ψ_r (5)

ψ_sq＝L_qi_sq (6)

转矩方程关系式表示如下：

其中，u_sd，u_sq，i_sd，i_sq，ψ_sd，ψ_sq分别是两相同步旋转dq坐标系下的定子电压、电流和磁链分量，R_s是定子电阻，L_d和L_q分别是dq轴电感，ω是转子电角速度，ω_r是转子角速度，J是转动惯量，B是摩擦系数，p是微分算子，T_e是电磁转矩，T_L是负载转矩，n_p是电机极对数。

如图4为本发明实施所涉及的永磁同步电机控制系统原理框图。如图4所示，

通过光电编码器获取电机的转子位置θ_r并计算得到转速ω_r，ω_r ^*是转速给定信号。为了提升控制系统的抗干扰能力，实现高性能的闭环控制策略，应用滑模控制器来实现对速度环的控制，以获取参考转矩给定值

选取状态变量x₁和x₂为

根据所选取的状态变量x₁、x₂，滑模变结构控制的滑模面为

s＝cx₁+x₂,c＞0 (9)

为了减小系统抖振，滑模变结构控制的趋近律设计为：

其中，c、ε和k是系数，

是在原点附近具有线性特性的函数，具有削弱系统抖振的功能。

根据式(8)、式(9)和式(10)，得到滑模速度控制器输出的参考转矩为

通过电流霍尔传感器采样三相电流i_a、i_b、i_c，并进行坐标变换得到两相dq轴坐标系上的电流分量i_sd、i_sq，计算得到反馈转矩T_e和定子磁链ψ_s。

进一步的，以转矩和定子磁链作为控制对象，求取输出电压分量u_sd和u_sq。

对转矩方程式(7)求取导数并结合式(3)，可得

其中，参考转矩和反馈转矩之差

T_s是控制周期。

输出电压分量u_sq的作用是补偿一个控制周期中的转矩误差ΔT_e。因而根据式(12)，当转矩误差为ΔT_e时，求得输出电压u_sq为

在一个控制周期中，定子磁链的控制目标为

其中

是给定参考定子磁链值，根据式(2)和式(3)计算出定子磁链增量Δψ_sd和Δψ_sq，并带入到式(14)中，可以求取出输出电压u_sd为

根据获得的输出电压分量u_sd和u_sq，可以合成得到所需的参考电压矢量

为了从重构电压矢量中确定最终的输出电压矢量，选取评价函数

进一步的，判断参考电压矢量

所在的扇区，并选取位于该扇区中的重构得到的有效电压矢量以及零电压矢量作为备选输出电压矢量，将备选电压矢量分别带入到评价函数G中，与参考电压矢量

进行比较，选择使得评价函数G最小的电压矢量u_i作为最终输出电压矢量。根据最终的输出电压矢量，对三相四开关逆变器的开关管施加驱动信号，控制永磁同步电机运行。

Claims (5)

1.一种三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，其特征在于，包括：

步骤一、利用三相四开关逆变器产生的四个不平衡电压矢量，重构出在坐标平面对称分布的六个基本电压矢量以及零电压矢量，

步骤二、获取永磁同步电机位置，并计算得到电机转速，通过滑模速度控制器得到参考转矩给定值

步骤三、获取永磁同步电机三相电流，并计算得到电机定子磁链和反馈转矩，以电机转矩和定子磁链作为控制对象，求取输出电压分量u_sq和u_sd，

步骤三中，

其中，i_sd，i_sq，ψ_sd，ψ_sq分别是两相同步旋转dq坐标系下的定子电流和磁链分量，R_s是定子电阻，L_d和L_q分别是dq轴电感，ω是转子电角速度，n_p是电机极对数，T_s是控制周期，

ΔT_e为参考转矩和反馈转矩之差，

为给定参考定子磁链值，

步骤四、根据电压分量u_sq和u_sd得到参考电压矢量

判断电压矢量

所在扇区，以位于该扇区中的重构得到的有效电压矢量以及零矢量作为备选电压矢量，选取评价函数

将备选电压矢量依次带入评价函数G中分别与参考电压矢量

进行比较，通过选择使得评价函数G最小的备选电压矢量，作为最终的输出电压矢量u_i。

2.如权利要求1所述的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，其特征在于：

步骤一中，重构出的六个电压矢量在坐标平面对称分布，依次相差60°，且幅值相等，六个电压矢量将坐标平面平分为六个扇区，分别为扇区Ⅰ、扇区Ⅱ、扇区Ⅲ、扇区Ⅳ、扇区Ⅴ、扇区Ⅵ。

3.如权利要求2所述的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，其特征在于：

其中，扇区Ⅰ的范围是(-π/6，π/6)；扇区Ⅱ的范围是(π/6，π/2)，扇区Ⅲ的范围是(π/2，5π/6)，扇区Ⅳ的范围是(5π/6，7π/6)，扇区Ⅴ的范围是(7π/6，3π/2)，扇区Ⅵ的范围是(3π/2，11π/6)。

4.如权利要求1所述的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，其特征在于：

步骤二中，通过转速传感器获取永磁同步电机位置θ_r，求得电机转速ω_r，以给定转速ω_r ^*和反馈转速ω_r作为速度滑模控制器的输入，速度滑模控制器的输出为参考转矩

5.如权利要求4所述的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，其特征在于：

其中，所述参考转矩

的计算公式如下：

其中，c、ε和k是系数，B是摩擦系数，J是转动惯量，状态变量x₁和x₂表示为

s＝cx₁+x₂,c＞0，

fal(s,α,δ)函数表示为：

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