CN110417316B - 一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法，该方法采用DSP+FPGA双处理器架构，充分发挥FPGA快速并行计算能力，连续循环检测绕组电流，能够更加准确地捕获启动阶段的过流点，从而及时置低DSP发出的PWM脉冲，因而当发生过流现象时，单个控制周期中的PWM脉冲将不再对称。本发明方法在FPGA内部使用定时器准确计算单个控制周期中发生过流现象的时间点，从而计算出实际施加在绕组两端的电压矢量，为磁链观测提供基础。仿真结果表明，相较于传统方法，在使用本发明方法后，电机启动阶段的电流脉动可以得到有效抑制。

Description

一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法

技术领域

本发明涉及一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)因实现简单、动态响应快而被广泛运用在交流调速领域。在DTC中不存在电流环，然而在电机启动阶段，尤其是重载工况下，为快速建立磁链和转矩，往往会出现过流现象，严重时会损坏功率元器件。为此，传统解决方案是在控制程序中设置电流限幅值，当绕组实际电流未超过限幅值时，将由DTC算法计算而得的电压矢量施加在绕组两端，而当绕组实际电流超过电流限幅值时，将零矢量施加在绕组两端。研究表明，该方案会在电机启动阶段频繁施加零矢量，造成启动电流和启动转矩脉动较大，降低电机启动性能，甚至启动失败。为提高启动性能，有学者提出分段启动方案，即在启动时刻将给定转矩与给定磁链按一定函数形式逐渐上升到参考值，而非阶跃给定。但是选择何种函数形式尚无完善的理论依据，并且该方案仍存在因过流而施加零电压矢量的可能性，从而造成局部启动电流脉动大的现象。

究其本质来说，上述方案造成启动电流脉动大的根本原因在于，在单个控制周期中，当控制程序检测到绕组电流超过限幅值时，会在下一个完整的控制周期中施加零矢量，从而造成绕组电流过度下降，加大了电流脉动。因此寻找一种更加准确而有效的启动电流限幅方法具有重要的工程意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法，基于DSP+FPGA架构，能够更加准确而有效地实现电流限幅，降低启动电流脉动，改善启动性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法，该方法采用DSP+FPGA双处理器架构实现，其中，DSP处理器用于实现异步电机直接转矩控制，FPGA处理器用于电流采样、PWM管理以及过流点时间计算；所述方法包括如下步骤：

步骤1，DSP处理器执行中断服务程序，从FPGA处理器中读取上一控制周期的变量T_pro值，并发送中断初始标志位至FPGA处理器，即当前控制周期开始；

步骤2，在当前控制周期，FPGA处理器将来自DSP处理器的PWM波送至功率器件，同时循环采样三相绕组电流，将采样值分别保存在i_a、i_b、i_c三个变量中，将i_a、i_b、i_c的绝对值分别与电流限幅值i_max进行比较，当i_a、i_b或i_c的绝对值超过i_max时，代表发生过流，此时，FPGA处理器将所有PWM波脉冲置低，直至下一控制周期开始，重复上述操作；

步骤3，在步骤2进行的同时，DSP处理器根据T_pro值计算上一控制周期中实际施加在电机绕组两端的电压矢量，根据电压矢量进行磁链估计，利用估计的磁链实现异步电机直接转矩控制，根据异步电机直接转矩控制计算出下一控制周期中需要施加在电机绕组两端的参考电压矢量；DSP处理器采用五段式空间矢量调制策略生成PWM波，并发送至FPGA处理器；

所述上一控制周期中实际施加在电机绕组两端的电压矢量，计算方法如下：

记上一控制周期中参考电压矢量

由扇区边界基本电压矢量u₁、u₂合成，其中，u₁称为小矢量，u₂称为大矢量；一个三相两电平逆变器包含三个小矢量、三个大矢量以及两个零矢量；记单个控制周期中u₁工作时间为T₁，u₂工作时间为T₂，零矢量工作时间为T₀，且满足T₁+T₂+T₀＝T_pwm，T_pwm为控制周期；

当T_pro≤T_a时，u_s＝0；

当T_a＜T_pro≤T_b时，

当T_b＜T_pro≤T_b+T₂时，

当T_b+T₂＜T_pro≤T_a+T₁+T₂时，

当T_a+T₁+T₂＜T_pro≤T_pwm时，

其中，

u_s为电压矢量。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述变量T_pro值，计算方式为：

当FPGA处理器接收到中断初始标志位时，从零开始计时，若检测到过流，则停止计时；当FPGA处理器接收到下一个中断初始标志位，从零开始重新计时；将计时值保存在变量T_pro中，T_pro值即为过流点时间。

作为本发明的一种优选方案，所述一个三相两电平逆变器包含三个小矢量、三个大矢量以及两个零矢量，小矢量有(001)、(010)、(100)，大矢量有(110)、(101)、(011)，零矢量有(000)、(111)。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明充分发挥了FPGA快速并行计算能力，连续循环检测绕组电流，当发生过流时，FPGA强制性将PWM脉冲全部置低，该方案可以更加准确有效地实现电流限幅，减小启动电流脉动。

2、本发明可在单个控制周期中准确定位过流时刻点，并计算实际施加在绕组两端电的压矢量，为磁链观测提供基础。

附图说明

图1是空间矢量调制(SVM)算法示意图。

图2是SVM算法五段式PWM调制策略示意图。

图3是本发明一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法示意图。

图4是在DTC中采用传统限流方法时异步电机启动电流仿真波形图。

图5是在DTC中采用传统限流方法时异步电机启动转矩仿真波形图。

图6是在DTC中采用本发明方法时异步电机启动电流仿真波形图。

图7是在DTC中采用本发明方法时异步电机启动转矩仿真波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法，采用DSP+FPGA双处理器架构，DSP(数字信号处理器)主要负责完成异步电机直接转矩控制算法，具体包括以下步骤：

步骤1：开始执行中断服务程序，DSP先从FPGA中读取变量T_pro值，后发送中断初始标志位至FPGA，以表明当前控制周期已开始；

步骤2：DSP根据T_pro计算上一控制周期中实际施加在绕组两端的电压矢量，用于磁链估计；实现异步电机直接转矩控制算法，计算出下一控制周期中需要施加在电机绕组两端的参考电压矢量；DSP采用五段式空间矢量调制(SVM)策略生成PWM波，并发送至FPGA；

FPGA(现场可编辑逻辑门阵列)主要完成电流采样、PWM管理以及过流点时间计算：

FPGA连续循环采样三相绕组电流，将采样值分别保存在i_a、i_b、i_c三个变量中；在当前控制周期中，FPGA首先将来自于DSP的PWM波直接送往功率器件，同时FPGA连续循环将i_a、i_b、i_c与电流限幅值i_max比较，当i_a、i_b或i_c绝对值超过i_max时，表明发生过流，FPGA强制性将所有PWM脉冲置低，直至下一控制周期开始，重复上述操作；

过流点时间计算：FPGA一旦接收到中断初始标志位，便从零开始计时，若检测到过流，则停止计时；若接收到下一个中断初始标志位，从零开始重新计时；将计时值保存在变量T_pro中。

图1是空间矢量调制(SVM)算法示意图，一个三相两电平电压源型逆变器可以提供八个基本电压矢量，包含六个有效矢量和两个零矢量，将有效矢量分为小矢量和大矢量，小矢量包括(001)、(010)、(100)，大矢量包括(110)、(101)、(011)，所有有效矢量将二维平面等分成六个扇区，每个扇区边界由一个小电压矢量和一个大电压矢量组成；零矢量包含(000)、(111)；在控制程序中，经DTC算法计算出参考电压矢量

后，便可由基本电压矢量合成得到，如图1所示；判断

所在扇区后，便可确定边界电压矢量u₁、u₂，u₁为小矢量，u₂为大矢量，根据伏秒平衡原理，即

便可求得u₁导通时间T₁和u₂导通时间T₂，T_pwm为控制周期。

图2是SVM算法五段式PWM调制策略示意图，S_A、S_B、S_C表示A、B、C三相桥臂的开关状态，S_A、S_B、S_C的取值范围为0或1，1表示上管导通、下管关断，0表示上管关断、下管导通；T₀表示零矢量导通时间，其满足公式T₁+T₂+T₀＝T_pwm；在五段式PWM调制策略中，有一相桥臂始终被钳位在直流源负极，可减小开关频率；在正常情况下，由SVM算法输出的PWM脉冲是轴对称的，但是采用本发明所述方法后，当发生过流时，PWM脉冲将不再对称，详见后续分析。

图3是本发明一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法说明图，所述方法启用DSP内部ePWM模块，激活影子比较寄存器；设置计数器工作在递增-递减模式，先从零开始递增至PRD，而后由PRD递减至零，如此循环；PRD为ePWM模块周期寄存器值，满足

f_s为ePWM模块工作时钟频率；设置计数器过零时装载比较寄存器值，并触发ePWM模块事件中断；当计数器过零时，中断触发，影子比较寄存器中的值会被自动加载到有效比较寄存器中，同时中断服务程序将被执行；在中断服务程序中，DSP先从FPGA中读取变量T_pro值，后发送中断初始标志位至FPGA，DSP根据T_pro计算上一控制周期中实际施加在绕组两端的电压矢量u_s，用于磁链估计，计算方法如下：

当T_pro≤T_a时，u_s＝0；

当T_a＜T_pro≤T_b时，

当T_b＜T_pro≤T_b+T₂时，

当T_b+T₂＜T_pro≤T_a+T₁+T₂时，

当T_a+T₁+T₂＜T_pro≤T_pwm时，

其中，

实现异步电机直接转矩控制算法，计算出下一控制周期中需要施加在电机绕组两端的参考电压矢量

并根据五段式SVM算法更新DSP内部ePWM模块影子比较寄存器值。

在本发明中，FPGA控制模数转化(ADC)芯片连续循环采样异步电机三相绕组电流，图3中用○表示该过程，并将电流采样值保存在i_a、i_b、i_c三个变量中；在当前控制周期中，FPGA首先将来自于DSP的PWM波直接送往功率器件，同时FPGA连续循环将i_a、i_b、i_c三个变量值与电流限幅值i_max比较，图3中用▲表示该过程，当i_a、i_b或i_c绝对值超过i_max时，表明发生过流，FPGA强制性将所有PWM脉冲置低，直至下一控制控制周期开始，重复上述操作；在本发明中，○和▲过程执行周期远小于T_pwm；在图3所示PWM脉冲中，虚线部分表示由DSP发出的对称PWM脉冲，但是当FPGA检测到过流后，PWM脉冲被强制拉低，如实线所示，因此实际发送给驱动电路的PWM脉冲在过流时是不对称的。

每当FPGA将收到中断初始标志位，便从零开始计时，当检测到过流时，计时停止，并下一次接收到中断初始标志位后，重新从零开始计时。

图4是在DTC中采用传统限流方法时异步电机启动电流仿真波形图，图5是在DTC中采用传统限流方法时异步电机启动转矩仿真波形图；图6是在DTC中采用本发明一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法时启动电流仿真波形图，图7是在DTC中采用本发明一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法时启动转矩仿真波形图。通过比较可以发现采用本发明方法后可以有效减少启动阶段电流脉动和转矩脉动。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法，其特征在于，该方法采用DSP+FPGA双处理器架构实现，其中，DSP处理器用于实现异步电机直接转矩控制，FPGA处理器用于电流采样、PWM管理以及过流点时间计算；所述方法包括如下步骤：

步骤1，DSP处理器执行中断服务程序，从FPGA处理器中读取上一控制周期的变量T_pro值，并发送中断初始标志位至FPGA处理器，即当前控制周期开始；

步骤2，在当前控制周期，FPGA处理器将来自DSP处理器的PWM波送至功率器件，同时循环采样三相绕组电流，将采样值分别保存在i_a、i_b、i_c三个变量中，将i_a、i_b、i_c的绝对值分别与电流限幅值i_max进行比较，当i_a、i_b或i_c的绝对值超过i_max时，代表发生过流，此时，FPGA处理器将所有PWM波脉冲置低，直至下一控制周期开始，重复上述操作；

步骤3，在步骤2进行的同时，DSP处理器根据T_pro值计算上一控制周期中实际施加在电机绕组两端的电压矢量，根据电压矢量进行磁链估计，利用估计的磁链实现异步电机直接转矩控制，根据异步电机直接转矩控制计算出下一控制周期中需要施加在电机绕组两端的参考电压矢量；DSP处理器采用五段式空间矢量调制策略生成PWM波，并发送至FPGA处理器；

所述上一控制周期中实际施加在电机绕组两端的电压矢量，计算方法如下：

记上一控制周期中参考电压矢量

由扇区边界基本电压矢量u₁、u₂合成，其中，u₁称为小矢量，u₂称为大矢量；一个三相两电平逆变器包含三个小矢量、三个大矢量以及两个零矢量，小矢量有001、010、100，大矢量有110、101、011，零矢量有000、111；记单个控制周期中u₁工作时间为T₁，u₂工作时间为T₂，零矢量工作时间为T₀，且满足T₁+T₂+T₀＝T_pwm，T_pwm为控制周期；

当T_pro≤T_a时，u_s＝0；

当T_a＜T_pro≤T_b时，

当T_b＜T_pro≤T_b+T₂时，

当T_b+T₂＜T_pro≤T_a+T₁+T₂时，

当T_a+T₁+T₂＜T_pro≤T_pwm时，

其中，

u_s为电压矢量，T_pro值为过流点时间。

2.根据权利要求1所述抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法，其特征在于，步骤1所述变量T_pro值，计算方式为：

当FPGA处理器接收到中断初始标志位时，从零开始计时，若检测到过流，则停止计时；当FPGA处理器接收到下一个中断初始标志位，从零开始重新计时；将计时值保存在变量T_pro中，T_pro值即为过流点时间。

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