CN109617490A - 一种五相永磁电机直接转矩控制下的最大转矩电流比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五相永磁电机直接转矩控制下的最大转矩电流比控制方法，首先检测电机转速，将给定转速ω_ref与反馈转速ω_m比较，利用PI控制器得到参考转矩T_{e_ref}；将采样的相电流经过变换矩阵得到两相静止坐标系一次空间α‑β和三次空间α₃‑β₃下的电流i_α，i_β，i_α3，i_β3；利用开关信号计算计算电压u_α，u_β，u_α3，u_β3；将i_α，i_β，u_α，u_β输入到磁链转矩计算模块中求得电机定子磁链ψ_s和转矩T_e；将ψ_α，ψ_β，i_α，i_β，输入到虚拟信号模块，计算得到使得电机运行于MTPA点的补偿磁链Δψ_s；将参考转矩、磁链与计算所得到的电机转矩、磁链做比较，通过滞环控制器后输入到开关表中得到各相开关信号，通过逆变器控制电机，实现五相永磁电机直接转矩下的MTPA控制。

Description

一种五相永磁电机直接转矩控制下的最大转矩电流比控制 方法

技术领域

本发明涉及多相电机DTC控制领域，特别涉及一种基于虚拟信号注入实现的五相永磁电机DTC下的最大转矩电流比控制方法。适用于采矿、冶铁等能源需求量较高，效率要求较高的场合。

背景技术

内置式永磁同步电动机(IPMSM)具有功率密度高、效率高、可靠性高、恒功率工作范围宽等特点，被广泛应用于各种工业场合。随着现代电力电子变换技术和计算机控制理论的发展，多相电机驱动系统得到了快速的发展。与三相内磁式永磁电机相比，多相电机具有更高的功率密度和可靠性，更适合于航天、船舶电力推进、电动汽车等场合。

近年来，国内外学者对于内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比(MTPA)控制和多相电机的容错控制都进行了深入的研究，并取得了丰富的成果。

目前常用的一种高性能的最大转矩电流比控制算法是基于虚拟信号注入的方法，但是这种方法的现有研究主要都集中在矢量控制中，对于直接转矩控制的研究还不是很多。

传统的DTC驱动器通常将参考磁链设置为固定值，为了保持定子电流恒定，定子电流中往往含有更多的无功功率分量，这会增加铜损耗，降低电机效率。DTC-MTPA算法的研究内容主要都集中在如何获得电机运行时的最优磁链值。现有的DTC-MTPA算法主要包括了基于模型的参数计算法，也可通过在线观测电机参数来提高精度；通过事先做好的表格来根据不同运行工况获取最优磁链的表格法；通过注入高频信号到磁链中，对响应电流做相应处理来获取最优磁链。其中参数法对电机参数精度要求较高，表格法则需要大量的线下工作与较大的存储空间，信号注入法则会导致额外的转矩、电流脉动。

发明内容

针对传统MTPA控制算法的弊端，本发明提出一种基于虚拟信号注入实现的五相永磁电机DTC下的最大转矩电流比控制方法。

为达到技术目的，本发明采用如下技术方案：

五相永磁电机直接转矩控制下的最大转矩电流比控制方法，包括如下步骤：

步骤1，检测五相永磁电机转速，作为电机的转速反馈ω_m，将给定转速ω_ref与反馈转速相ω_m比较得到电机的转速误差e_r，采用PI控制器根据转速误差e_r计算得到五相永磁电机的参考转矩，PI控制器的输出量为参考转矩T_{e_ref}；

步骤2，利用电流传感器采样五相永磁电机的各相电流i_a，i_b，i_c，i_d，i_e，对采样得到的电流进行矩阵变换得到两相静止坐标系一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的电流i_α，i_β，i_α3，i_β3；

步骤3，根据开关表模块所输出的电压占空比和母线电压，通过矩阵变换得到五相永磁电机一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的电压u_a，u_β，u_α3，u_β3；

步骤4，根据计算所得到的i_α，i_β，i_α3，i_β3，u_α，u_β，u_α3，u_β3，求得一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的磁链ψ_α，ψ_β，ψ_α3，ψ_β3，根据ψ_α，ψ_β，ψ_α3，ψ_β3求取电机在一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的磁链位置角，用于开关表中判断扇区；

步骤5，将计算所得电机在一次空间α-β的电流i_α，i_β，和电压u_α，u_β用于计算电机定子磁链Ψ_s以及电机输出转矩T_e；

步骤6，将所得到的α-β下的磁链ψ_α，ψ_β和一次空间α-β的电流i_α，i_β，作为输入信号输入到虚拟信号注入模块，利用虚拟信号注入法，计算得到五相永磁电机运行于最大转矩电流比状态所需要的磁链补偿值，基于虚拟信号注入的最大转矩电流比控制方法的输出量为给定定子磁链的补偿值Δψ_s；

步骤7，将给定定子磁链减去补偿磁链值得到使电机运行于最大转矩电流比状态的定子磁链参考值ψ_sref，分别将所得的参考转矩T_{e_ref}参考磁链ψ_sref与反馈转矩T_e和定子磁链ψ_s相比较，得到转矩和磁链误差；

步骤8，将计算所得转矩、磁链误差和α-β坐标系下的磁链ψ_α，ψ_β作为输入，输入到α-β开关表中得到α₃-β₃开关表所需的控制信号z，同时将α₃-β₃坐标系下的磁链ψ_α3，ψ_β3输入到α₃-β₃开关表中，得到最终的各相开关信号，将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现五相电机DTC下的最大转矩电流比控制。

进一步，步骤2中矩阵变换过程为：

其中，上式中δ＝2π/5。

进一步，步骤3中，永磁电机一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的电压计算方法为：

其中，S_a，S_b，S_c，S_d，S_e分别表示五相的占空比，U_dc，u_a，u_b，u_c，u_d，u_e分别表示由占空比计算所得到的五相电压，u_α，u_β，u_α3，u_β3分别表示一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的电压。

进一步，步骤4中，电机在一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的磁链位置角由ψ_α，ψ_β，ψ_α3，ψ_β3决定：

其中，i_α，i_β，i_α3，i_β3分别表示一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的电流，R为电阻。

进一步，步骤5中，定子磁链ψ_s及电机输出转矩T_e计算方法如下：

其中，P为电机极对数。

进一步，步骤6中，计算得到五相永磁电机运行于最大转矩电流比状态所需要的磁链补偿值，基于虚拟信号注入的最大转矩电流比控制方法的输出量为给定定子磁链的补偿值Δψ_s的具体执行步骤如下：

步骤6.1，对计算所得到的ψ_α，ψ_β，i_α，i_β，做旋转变换，得到旋转坐标系下的d-q轴电流和磁链i_dm，i_qm，ψ_dm，ψ_qm；

步骤6.2，将旋转变换后的d-q轴电流磁链通过一个低通滤波器，得到滤波后的d-q轴电流、磁链i_d，i_q，ψ_d，ψ_q；

步骤6.3，由滤波后的磁链ψ_d，ψ_q计算磁链幅值ψ_s和磁链位置角δ；

δ＝切n^-1(ψ_q/ψ_d)

步骤6.4，在磁链幅值中注入高频正弦信号Asin(ω_h，)，利用磁链幅值ψ_s和磁链角度δ+Δδ计算含有高频分量的d-q轴磁链；

其中，分别表示含有高频成分的d-q轴磁链，Δψ_s表示所注入的高频正弦信号Asin(ω_ht)；

步骤6.5，根据步骤6.4中所得含高频分量的d-q轴磁链ψ_q ^h以及步骤6.2中所得d-q轴电流磁链i_d，i_q，ψ_d，ψ_q计算含有高频分量的电流幅值i_s ^h，并给出其泰勒展开表达式：

其中，L_d表示d轴电感；

步骤6.6，将含有高频分量的电流信号通过中心频率为ω_h的带通滤波器提取出将提取出来的信号乘以sin(ω_ht)：

其中K为比例系数，用于控制所提取信号幅值的大小；

步骤6.7，将相乘得到的信号通过低通滤波器提取出其中的直流分量，该分量正比于d|i_s|/d|ψ_s|，利用一个积分器控制其为0，即可实现对最大转矩电流比点的追踪控制，积分器输出量为给定定子磁链的补偿幅值Δψ_s。

进一步，步骤8所述α-β与α₃-β₃开关表如下：

α-β坐标系下开关表

α₃-β₃坐标系下开关表

其中，其中，V_i为第i个电压矢量；Δψ，ΔT_e分别表示转矩和磁链误差经滞环控制器后输出值。若转矩误差大于0.00002，则ΔT_e＝1；若转矩误差等于0.00002，则ΔT_e＝0；若转矩误差小于0.00002，则ΔT_e＝-1；若磁链误差大于0.0006，则Δψ＝1；若磁链误差等于0.0006，则Δψ＝0；若磁链误差小于0.0006，则Δψ＝-1。z表示不同的滞环控制器输出信号下的选择信号，用于三维开关表电压矢量选择的判断。序号I，II，III...分别表示不同的扇区。

该嵌套开关表可以对五相电机高次谐波有效地抑制，其原理如下：

图1(a)，(b)分别表示α-β和α₃-β₃坐标系中的五相IPMSM空间电压矢量。如图1所示，α-β坐标系中的大电压矢量在α₃-β₃坐标系中将变成小矢量，中电压矢量在α₃-β₃坐标系中仍将是中等矢量，而小电压矢量在α₃-β₃坐标系中将变成大矢量。此外，α-β坐标系中的中矢量与α₃-β₃坐标系中的大矢量和小矢量相反，这意味着α₃-β₃坐标系中作用于中矢量磁链的效果与大、小矢量的相反。因此，适当选择中矢量不仅可以控制转矩和磁链，还可以有效地抑制α₃-β₃下磁链的大小，从而减小高次谐波。上表便是根据以上原理得到。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明研究出一种针对DTC的虚拟信号注入MTPA算法，相比较于传统的实际信号注入算法，本算法可以在不增加额外脉动的情况下实现对电机运行工况的跟踪控制，实现DTC下的最大转矩电流比控制。

2、本发明采用嵌套开关表，根据电机一次以及三次空间的磁链位置，选取合适的电压矢量，实现对五相电机三次谐波的抑制。

附图说明

图1：五相电机电压矢量图；(a)α-β坐标系下的电压矢量图；(b)α₃-β₃坐标系下的电压矢量图

图2：采用虚拟信号注入现实的DTC-MTPA控制框图；(a)五相永磁电机基于虚拟信号实现的DTC下的最大转矩电流比控制主框图；(b)采用虚拟信号注入实现含高频成分的电流计算框图；(c)最优磁链补偿值提取框图；

图3：给定定子磁链变化下电流、MTPA因子ε的变化波形；

图4：转矩突变下，电机输出磁链对MTPA磁链的跟踪波形。

具体实施方式

具体实施例，主要是介绍基于虚拟信号注入实现的DTC下的最大转矩电流比控制，其控制框图如图1所示。下面结合附图，仔细说明实施例的具体实施方式和实施效果。

步骤1，检测五相永磁电机转速，作为电机的转速反馈ω_m，将给定转速ω_ref与反馈转速ω_m相比较得到电机的转速误差e_r，采用PI控制器根据转速误差e_r计算得到五相永磁电机的参考转矩，PI控制器的输出量为参考转矩T_{e_ref}。

步骤2，利用电流传感器采样五相永磁电机的各相电流i_α，i_b，i_c，i_d，i_e，对采样得到的电流进行矩阵变换得到两相静止坐标系一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的电流i_α，i_β，i_α3，i_β3。

矩阵变换过程为：

其中，上式中δ＝2π/5。

步骤3，根据开关表模块所输出的电压占空比和母线电压，通过矩阵变换得到五相永磁电机一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的电压u_α，u_β，u_α3，u_β3。其中u_a，u_β，u_α3，u_β3电压计算方法为：

步骤4，根据计算所得到的i_α，i_β，i_α3，i_β3，u_α，u_β，u_α3，u_β3，可以求得ψ_α，ψ_β，ψ_α3，ψ_β3，根据ψ_α，ψ_β，ψ_α3，ψ_β3可以知道电机在一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的磁链位置角，用于开关表中判断扇区。ψ_α，ψ_β，ψ_α3，ψ_β3计算方法如下

步骤5，将计算所得电机在一次空间α-β的电流i_α，i_β，和电压u_α，u_β用于计算电机定子磁链ψ_s以及电机输出转矩T_e。其中定子磁链及转矩计算方法如下：

步骤6，将所得到的α-β下的磁链ψ_α，ψ_β和电流i_α，i_β，作为输入信号输入到虚拟信号注入模块，利用虚拟信号注入法，计算得到五相永磁电机运行于最大转矩电流比状态所需要的磁链补偿值，VSI-MTPA的输出量为给定定子磁链的补偿值Δψ_s。

如图2(b)(c)所示，利用虚拟信号注入法实现MTPA算法的具体操作步骤如下：

步骤6.1，对计算所得到的ψ_α，ψ_β，i_α，i_β，做旋转变换，得到旋转坐标系下的电流磁链i_dm，i_qm，ψ_dm，ψ_qm。

步骤6.2，将旋转变换后的d-q轴电流磁链通过一个低通滤波器，得到滤波后的d-q轴电流磁链i_d，i_q，ψ_q，ψ_q。

步骤6.3，由滤波后的磁链ψ_d，ψ_q计算磁链幅值和磁链位置角

δ＝tan^-1(ψ_q/ψ_d)

步骤6.4，在磁链幅值中注入高频正弦信号Asin(ω_ht)，利用磁链幅值ψ_s和磁链角度δ+Δδ计算含有高频分量的d-q轴磁链

步骤6.5，根据步骤6.4中所得含高频分量的d-q轴磁链ψ_q ^h以及步骤6.2中所得d-q轴电流磁链i_d，i_q，ψ_d，ψ_q计算含有高频分量的电流幅值并给出其泰勒展开表达式：

步骤6.6，将含有高频分量的电流信号通过中心频率为ω_h的带通滤波器提取出将提取出来的信号乘以sin(ω_ht)：

步骤6.7，将相乘得到的信号通过低通滤波器提取出其中的直流分量，该分量正比于d|i_s|/d|ψ_s|，利用一个积分器控制其为0，即可实现对MTPA点的追踪控制，积分器输出量为给定定子磁链的补偿幅值Δψ_s。

如图3所示：电流幅值最低点对应着ε＝0点，其中ε∝d|i_s|/d|ψ_s|。可以看出ε＝0对应着MTPA点，可见该方法可以实现对MTPA点的跟踪控制。

步骤7，将给定定子磁链减去补偿磁链值可以得到使电机运行于MTPA状态的定子磁链参考值ψ_sref，分别将所得的参考转矩T_{e_ref}参考磁链ψ_sref与反馈转矩T_e和定子磁链ψ_s相比较，得到转矩和磁链误差。

步骤8，将计算所得转矩、磁链误差和α-β坐标系下的磁链ψ_α，ψ_β作为输入，输入到α-β开关表中得到α₃-β₃开关表所需的控制信号z，同时将α₃-β₃坐标系下的磁链ψ_α3，ψ_β3输入到α₃-β₃开关表中，得到最终的各相开关信号。将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现五相电机DTC下的最大转矩电流比控制。α-β与α₃-β₃开关表如下：

α-β坐标系下开关表

α₃-β₃坐标系下开关表

图4给出了电机运行过程中转矩突变时电机输出磁链的变化，可以看出在转矩突变时，电机输出磁链可以在短时间内跟踪MTPA磁链，可见该算法具有较好的精度和动态性能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.五相永磁电机直接转矩控制下的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，检测五相永磁电机转速，作为电机的转速反馈ω_m，将给定转速ω_ref与反馈转速相ω_m比较得到电机的转速误差e_r，采用PI控制器根据转速误差e_r计算得到五相永磁电机的参考转矩，PI控制器的输出量为参考转矩T_{e_ref}。

步骤2，利用电流传感器采样五相永磁电机的各相电流i_a，i_b，i_c，i_d，i_e，对采样得到的电流进行矩阵变换得到两相静止坐标系一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的电流i_α，i_β，i_α3，i_β3；

步骤3，根据开关表模块所输出的电压占空比和母线电压，通过矩阵变换得到五相永磁电机一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的电压u_α，u_β，u_α3，u_β3；

步骤4，根据计算所得到的i_α，i_β，i_α3，i_β3，u_a，u_β，u_α3，u_β3，求得一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的磁链ψ_α，ψ_β，ψ_α3，ψ_β3，根据ψ_α，ψ_β，ψ_α3，ψ_β3求取电机在一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的磁链位置角，用于开关表中判断扇区；

步骤5，将计算所得电机在一次空间α-β的电流i_α，i_β，和电压u_α，u_β用于计算电机定子磁链ψ_s以及电机输出转矩T_e；

步骤6，将所得到的α-β下的磁链ψ_α，ψ_β和一次空间α-β的电流i_α，i_β，作为输入信号输入到虚拟信号注入模块，利用虚拟信号注入法，计算得到五相永磁电机运行于最大转矩电流比状态所需要的磁链补偿值，基于虚拟信号注入的最大转矩电流比控制方法的输出量为给定定子磁链的补偿值Δψ_s；

步骤7，将给定定子磁链减去补偿磁链值得到使电机运行于最大转矩电流比状态的定子磁链参考值ψ_sref，分别将所得的参考转矩T_{e_ref}参考磁链ψ_sref与反馈转矩T_e和定子磁链ψ_s相比较，得到转矩和磁链误差；

步骤8，将计算所得转矩、磁链误差和α-β坐标系下的磁链ψ_α，ψ_β作为输入，输入到α-β开关表中得到α₃-β₃开关表所需的控制信号z，同时将α₃-β₃坐标系下的磁链ψ_α3，ψ_β3输入到α₃-β₃开关表中，得到最终的各相开关信号，将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现五相电机DTC下的最大转矩电流比控制。

2.根据权利要求1所述的五相永磁电机直接转矩控制下的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，步骤2中矩阵变换过程为：

其中，上式中δ＝2π/5。

3.根据权利要求1所述的五相永磁电机直接转矩控制下的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，步骤3中，永磁电机一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的电压计算方法为：

其中，S_a，S_b，S_c，S_d，S_e分别表示五相的占空比，U_dc，u_a，u_b，u_c，u_d，u_e分别表示由占空比计算所得到的五相电压，u_α，u_β，u_a3，u_β3分别表示一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的电压。

4.根据权利要求1所述的五相永磁电机直接转矩控制下的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，步骤4中，电机在一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的磁链位置角由ψ_α，ψ_β，ψ_α3，ψ_β3决定：

其中，i_α，i_β，i_α3，i_β3分别表示一次空间α-β和三次空间α₃-β₃下的电流，R为电阻。

5.根据权利要求1所述的五相永磁电机直接转矩控制下的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，步骤5中，定子磁链ψ_s及电机输出转矩T_e计算方法如下：

其中，P为电机极对数。

6.根据权利要求1所述的五相永磁电机直接转矩控制下的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，步骤6中，计算得到五相永磁电机运行于最大转矩电流比状态所需要的磁链补偿值，基于虚拟信号注入的最大转矩电流比控制方法的输出量为给定定子磁链的补偿值Δψ_s的具体执行步骤如下：

步骤6.1，对计算所得到的ψ_α，ψ_β，i_α，i_β，做旋转变换，得到旋转坐标系下的d-q轴电流和磁链i_dm，i_qm，ψ_dm，ψ_qm；

步骤6.2，将旋转变换后的d-q轴电流磁链通过一个低通滤波器，得到滤波后的d-q轴电流、磁链i_d，i_q，ψ_d，ψ_q；

步骤6.3，由滤波后的磁链ψ_d，ψ_q计算磁链幅值ψ_s和磁链位置角δ；

δ＝tan^-1(ψ_w/ψ_d)

步骤6.4，在磁链幅值中注入高频正弦信号Asin(ω_ht)，利用磁链幅值ψ_s和磁链角度δ+Δδ计算含有高频分量的d-q轴磁链；

其中，ψ_q ^h分别表示含有高频成分的d-q轴磁链，Δψ_s表示所注入的高频正弦信号Asin(ω_ht)；

步骤6.5，根据步骤6.4中所得含高频分量的d-q轴磁链ψ_q ^h以及步骤6.2中所得d-q轴电流磁链i_d，i_q，ψ_d，ψ_q计算含有高频分量的电流幅值i_s ^h，并给出其泰勒展开表达式：

其中，L_d表示d轴电感；

步骤6.6，将含有高频分量的电流信号通过中心频率为ω_h的带通滤波器提取出将提取出来的信号乘以sin(ω_ht)：

其中K为比例系数，用于控制所提取信号幅值的大小；

步骤6.7，将相乘得到的信号通过低通滤波器提取出其中的直流分量，该分量正比于d|i_s|/d|ψ_s|，利用一个积分器控制其为0，即可实现对最大转矩电流比点的追踪控制，积分器输出量为给定定子磁链的补偿幅值Δψ_s。

7.根据权利要求1所述的五相永磁电机直接转矩控制下的最大转矩电流比控制方法，其特征在于，步骤8中，α-β和α₃-β₃的开关表如下：

α-β坐标系下开关表

α₃-β₃坐标系下开关表

其中，V_i为第i个电压矢量。