CN113676114B - 基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法 - Google Patents

基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：包括以下步骤：通过电机直接转矩控制的调节周期和在单个调节周期内电压矢量的有效作用时间，计算电压矢量占空比；基于电机磁链圆将电压矢量分成三组，结合磁链矢量幅值参考值和磁链调节强度，对每组电压矢量研究，得到电压矢量占空比为定值1时磁链矢量幅值变化量绝对值与电机磁链矢量角度之间的关系式；利用磁链滞环宽度、磁链调节强度和磁链矢量幅值参考值之间的关系，得到电压矢量占空比和电机磁链矢量角度之间的表达式，得到单个调节周期内电压矢量的有效作用时间，实现对电机的直接转矩控制。

Description

基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法
技术领域
本公开属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在电机控制领域，直接转矩控制(Direct Torque Control，即DTC)是一种常用的控制算法，通过变频器控制三相马达转矩，基于磁链圆思想，设计磁链滞环和转矩滞环，通过电压矢量调节磁链，进而调节转矩。在面向三相电机的基本型DTC方法中，针对磁链圆的360度空间，设置六个扇区和六个电压矢量，将实际磁链矢量幅值、实际转矩与参考磁链矢量幅值、参考转矩进行滞环比较，结合磁链矢量所在扇区，根据事先确定的开关表选择合适的电压矢量，控制功率变换电路的开关管通断，调节磁链和转矩的增减，实现电机磁链和转矩对参考值的实时跟踪。
据发明人了解，基本型DTC方法中每个扇区的空间跨度为60度，当磁链矢量位于同一扇区的不同位置时，由于电压矢量和磁链矢量之间的夹角不同，在相同的作用时间下，电压矢量对磁链矢量的调节作用不一致，容易在某些位置导致磁链的过调节，加大磁链和转矩的震荡。
因此，为实现电机磁链和转矩的跟踪控制，控制电机的磁链矢量，需要对电机直接转矩控制进行深入研究。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法，以当前磁链矢量的角度为自变量，以占空比形式的电压矢量作用时间为因变量，根据磁链矢量的角度计算电压矢量占空比，定量调节电机的磁链，使得单个调节周期内磁链矢量幅值的增量或减量均大致小于等于磁链滞环宽度的一半，将磁链矢量限制在滞环内，实现了更好的磁链和转矩跟踪效果。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法，采用如下技术方案：
基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法，具体包括以下步骤：
通过电机直接转矩控制的调节周期和在单个调节周期内电压矢量的有效作用时间，计算电压矢量占空比；
基于电机磁链圆将电压矢量分成三组，结合磁链矢量幅值参考值和磁链调节强度，对每组电压矢量研究，得到电压矢量占空比为定值1时磁链矢量幅值变化量绝对值与电机磁链矢量角度之间的关系式；
利用磁链滞环宽度、磁链调节强度和磁链矢量幅值参考值之间的关系，得到电压矢量占空比和电机磁链矢量角度之间的表达式，得到单个调节周期内电压矢量的有效作用时间，实现对电机的直接转矩控制。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制系统，采用了第一方案中所提供的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法，采用如下技术方案：
基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制系统，包括：
电压矢量占空比生成模块，通过电机直接转矩控制的调节周期和在单个调节周期内电压矢量的有效作用时间，计算电压矢量占空比；
磁链矢量幅值变化量绝对值计算模块，根据电机磁链圆将电压矢量分成三组，结合磁链矢量幅值参考值和磁链调节强度，对每组电压矢量研究，得到电压矢量占空比为定值1时磁链矢量幅值变化量绝对值与电机磁链矢量角度之间的关系式；
电机直接转矩控制模块，利用磁链滞环宽度、磁链调节强度和磁链矢量幅值参考值之间的关系，得到电压矢量占空比和电机磁链矢量角度之间的表达式，得到单个调节周期内电压矢量的有效作用时间，实现对电机的直接转矩控制。
本公开第三方面提供了一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法中的步骤。
本公开第四方面提供了一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1.本公开建立了电压矢量作用时间和磁链矢量角度之间的解析表达式，通过简单的计算和调节，可以将磁链矢量限制在滞环内，改善了基本型DTC的转矩脉动抑制效果；
2.本公开通过近似表达式计算的电压矢量作用时间可以满足工程应用的精度要求，同时不改变基本型DTC的主要实现；
3.本公开中的电压矢量占空比可以直接对应到PWM模块的占空比，简单实用。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例一中的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法的流程图；
图2是本公开实施例一中的DTC磁链矢量扇区及电压矢量分布图；
图3是本公开实施例一中的DTC系统结构图；
图4是本公开实施例一中的磁链矢量调节示意图；
图5是本公开实施例一中的电压矢量位于第一组时磁链矢量幅值变化量绝对值的波形图；
图6是本公开实施例一中的电压矢量位于第二组时磁链矢量幅值变化量绝对值的波形图；
图7是本公开实施例一中的电压矢量位于第三组时磁链矢量幅值变化量绝对值的波形图；
图8是本公开实施例二中的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制系统的结构图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本公开实施例一提供了一种基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法。
如图1、图2、图3和图4所示的一种基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法，具体步骤包括：
步骤S01：通过电机直接转矩控制的调节周期和在单个调节周期内电压矢量的有效作用时间，计算电压矢量占空比；
步骤S02：基于电机磁链圆将电压矢量分成三组，结合磁链矢量幅值参考值和磁链调节强度，对每组电压矢量研究，得到电压矢量占空比为定值1时磁链矢量幅值变化量绝对值与电机磁链矢量角度之间的关系式；
步骤S03：利用磁链滞环宽度、磁链调节强度和磁链矢量幅值参考值之间的关系，得到电压矢量占空比和电机磁链矢量角度之间的表达式，得到单个调节周期内电压矢量的有效作用时间，实现对电机的直接转矩控制。
作为一种或多种实施方式，在步骤S01中，电压矢量占空比Du是在单个调节周期内电压矢量的有效作用时间Te相对于电机直接转矩控制的调节周期Ts的百分比，即有
作为一种或多种实施方式，在步骤S02中，基于电机磁链圆的360°设置，将电机划分为六个扇区和六个电压矢量，以第一电源矢量V1和第四电压矢量V4作为第一组、以第二电压矢量V2和第五电压矢量V5作为第二组、以第三电压矢量V3和第六电压矢量V6作为第三组，将六个电压矢量分为三组,用ψref表示磁链矢量幅值参考值，用ψs表示磁链调节强度，用Udc表示电机母线电压，用Ts表示电机直接转矩控制的调节周期，用ψinc表示磁链矢量幅值变化量绝对值，用δ表示磁链矢量角度；
当电压矢量位于第一组时，磁链矢量幅值变化量绝对值ψinc与磁链矢量角度δ之间的表达式近似为
当电压矢量位于第二组时，磁链矢量幅值变化量绝对值ψinc与磁链矢量角度δ之间的表达式近似为
当电压矢量位于第三组时，磁链矢量幅值变化量绝对值ψinc与磁链矢量角度δ之间的表达式近似为
用ψband表示磁链滞环宽度的一半，在本实施例中，磁链滞环宽度ψband、磁链调节强度ψs和磁链矢量幅值参考值ψref之间需满足以下关系：
在满足公式(5)的基础上，因磁链调节强度将其分别代入公式(2)、公式(3)和公式(4)中，则有当电压矢量位于第一组时，磁链矢量幅值变化量绝对值ψinc与磁链矢量角度δ之间的简化表达式近似为
当满足公式(5)时，公式(6)中的分子近似为2ψrefψs sin(δ+pi/3)，分母近似为2ψref，公式(6)则可变形为
当电压矢量位于第二组时，磁链矢量幅值变化量绝对值ψinc与磁链矢量角度δ之间的简化表达式近似为
当满足公式(5)时，公式(8)中的分子近似为2ψrefψs sin(δ)，分母近似为2ψref，公式(8)则可变形为
当电压矢量位于第三组时，磁链矢量幅值变化量绝对值ψinc与磁链矢量角度δ之间的简化表达式近似为
当满足公式(5)时，公式(8)中的分子近似为2ψrefψs sin(δ+2pi/3)，分母近似为2ψref，公式(8)则可变形为
作为一种或多种实施方式，在步骤S03中，结合公式(5)，将记为K,将记为θc，当电压矢量位于第一组时，结合公式(2)、公式(6)、公式(7)，电压矢量占空比Du和磁链矢量角度δ之间的近似简化表达式为：
当电压矢量位于第二组时，结合公式(3)、公式(8)、公式(9)，电压矢量占空比Du和磁链矢量角度δ之间的近似简化表达式为：
当电压矢量位于第三组时，结合公式(4)、公式(10)、公式(11)，电压矢量占空比Du和磁链矢量角度δ之间的近似简化表达式为：
由公式(1)可得，在一个调节周期内，电压矢量的有效作用时间Te为Te＝Ts·Du，结合公式(12)、公式(13)和公式(14)能够得到电压矢量的有效作用时间与磁链矢量角度之间的关系，通过简单的计算和调节，将磁链矢量限制在磁链滞环内，实现改善电机的基本型DTC的转矩脉动抑制。
在本实施例中，将电压矢量占空比Du设定为1、将/>ψref＝0.5Wb，电压矢量分别位于第一组、第二组和第三组时，公式(2)和公式(7)、公式(3)和公式(9)、公式(4)和公式(11)所对应的磁链矢量幅值变化量绝对值ψinc的波形图分别如图5、图6和图7所示，其中公式(7)、公式(9)和公式(11)分别对应图中的点图。
实施例二
本实施例提供了一种基于实施例一中基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制系统。
如图8所示的一种基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制系统，包括：
电压矢量占空比生成模块，通过电机直接转矩控制的调节周期和在单个调节周期内电压矢量的有效作用时间，计算电压矢量占空比；
磁链矢量幅值变化量绝对值计算模块，根据电机磁链圆将电压矢量分成三组，结合磁链矢量幅值参考值和磁链调节强度，对每组电压矢量研究，得到电压矢量占空比为定值1时磁链矢量幅值变化量绝对值与电机磁链矢量角度之间的关系式；
电机直接转矩控制模块，利用磁链滞环宽度、磁链调节强度和磁链矢量幅值参考值之间的关系，得到电压矢量占空比和电机磁链矢量角度之间的表达式，得到单个调节周期内电压矢量的有效作用时间，实现对电机的直接转矩控制。
基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制系统进行电机直接转矩控制的详细步骤与实施例一提供的电压矢量作用时间调节的电机转矩控制方法相同，在此不再赘述。
实施例三
本公开实施例三提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法相同，在此不再赘述。
实施例四
本公开实施例四提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法相同，在此不再赘述。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
电压矢量占空比Du是在单个调节周期内电压矢量的有效作用时间相对于电机直接转矩控制的调节周期/>的百分比，即有/>；根据磁链滞环宽度、磁链调节强度和磁链矢量幅值参考值之间的关系得到电压矢量占空比和电机磁链矢量角度之间的表达式，根据电机当前的磁链矢量角度计算电压矢量占空比，得到单个调节周期内电压矢量的有效作用时间；
基于电机磁链圆将电压矢量分成三组，结合磁链矢量幅值参考值和磁链调节强度，对每组电压矢量研究，得到电压矢量占空比为定值1时磁链矢量幅值变化量绝对值与电机磁链矢量角度之间的关系式；
利用磁链滞环宽度、磁链调节强度和磁链矢量幅值参考值之间的关系，得到电压矢量占空比和电机磁链矢量角度之间的表达式，得到单个调节周期内电压矢量的有效作用时间，实现对电机的直接转矩控制。
2.如权利要求1中所述的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法，其特征在于，所述电压矢量占空比是在单个调节周期内电压矢量的有效作用时间相对于电机直接转矩控制的调节周期的百分比。
3.如权利要求1中所述的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法，其特征在于，基于电机磁链圆的360度设置，将电机划分为六个扇区和六个电压矢量，以第一电源矢量和第四电压矢量作为第一组、以第二电压矢量和第五电压矢量作为第二组、以第三电压矢量和第六电压矢量作为第三组，将六个电压矢量分为三组。
4.如权利要求1中所述的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法，其特征在于，所述磁链调节强度的大小与电机母线电压和电机直接转矩控制的调节周期相关。
5.如权利要求1中所述的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法，其特征在于，将电压矢量占空比Du设定为1，用表示磁链矢量幅值参考值，用/>表示磁链调节强度，用/>表示电机母线电压，用/>表示电机直接转矩控制的调节周期，用/>表示磁链矢量幅值变化量绝对值，用/>表示磁链矢量角度，则有
。
6.如权利要求5中所述的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法，其特征在于，用表示磁链滞环宽度的一半，则磁链滞环宽度、磁链调节强度和磁链矢量幅值参考值之间需满足
。
7.基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制系统，采用了权利要求1-6中任一项所述的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法，其特征在于，包括电压矢量占空比生成模块、磁链矢量幅值变化量绝对值计算模块和电机直接转矩控制模块，其中：
所述电压矢量占空比生成模块，通过电机直接转矩控制的调节周期和在单个调节周期内电压矢量的有效作用时间，计算电压矢量占空比；
所述磁链矢量幅值变化量绝对值计算模块，根据电机磁链圆将电压矢量分成三组，结合磁链矢量幅值参考值和磁链调节强度，对每组电压矢量研究，得到电压矢量占空比为定值1时磁链矢量幅值变化量绝对值与电机磁链矢量角度之间的关系式；
所述电机直接转矩控制模块，利用磁链滞环宽度、磁链调节强度和磁链矢量幅值参考值之间的关系，得到电压矢量占空比和电机磁链矢量角度之间的表达式，得到单个调节周期内电压矢量的有效作用时间，实现对电机的直接转矩控制。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法中的步骤。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的基于电压矢量作用时间调节的三相电机直接转矩控制方法中的步骤。
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