CN105099317A - 基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制***和方法，控制***包括PWM控制器、速度调节器、电流/电压检测电路、坐标变换模块、磁链/转矩观测器、转速传感器、三相桥式逆变器以及第一～第三比较器。控制方法是在传统单矢量控制的基础上加入一对大小相等、方向相反的矢量。本发明削弱了稳态转矩脉动，有效抑制了谐波，减小了对三相感应电机的损害。

Description

基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制***和方法

技术领域

本发明属于电机调控技术领域，特别涉及了基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制***和方法。

背景技术

三相感应电机具有成本低、环境适应性强等优点，在很多领域得到了推广应用。随着三相感应电机的广泛运用，对三相感应电机的控制技术也提出了更高的要求。

目前常用的三相感应电机的控制方式是直接转矩控制方式，它具有良好的动态性能，是一种较好的三相感应电机调速控制方式。然而，传统的直接转矩控制方式由于稳态转矩脉动较强，存在很多谐波，对三相感应电机会造成很大损害。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制***和方法，削弱稳态转矩脉动，有效抑制谐波，减小对三相感应电机的损害。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制***，其特征在于：包括PWM控制器、速度调节器、电流/电压检测电路、坐标变换模块、磁链/转矩观测器、转速传感器、三相桥式逆变器以及第一～第三比较器；所述转速传感器的输入端和电流/电压检测电路的输入端分别连接三相感应电机，转速传感器的输出端连接第一比较器的负输入端，第一比较器的正输入端输入给定转速信号，第一比较器的输出端连接速度调节器的输入端，速度调节器的输出端连接第二比较器的正输入端，电流/电压检测电路的输出端经坐标变换模块与磁链/转矩观测器的输入端连接，第二比较器的负输入端和第三比较器的负输入端分别连接磁链/转矩观测器的输出端，第三比较器的正输入端输入给定磁链信号，第二比较器的输出端、第三比较器的输出端、磁链/转矩观测器的输出端分别连接PWM控制器的输入端，PWM控制器的输出端连接三相桥式逆变器中6个开关管的门极，控制三相桥式逆变器向三相感应电机输出交流电信号。

其中，上述速度调节器采用PI调节器。

其中，上述三相桥式逆变器的6个开关管均为IGBT。

其中，上述PWM控制器、速度调节器、第一～第三比较器、坐标变换模块和磁链/转矩观测器集成在一片DSP处理器上。

其中，上述DSP处理器的型号为DSP28335。

本发明还包括基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：

(1)检测三相感应电机的定子电流、电压信号；

(2)将三相静止坐标系下的电流信号i_a、i_b、i_c变换为两相静止坐标系下电流信号i_α、i_β、i_αβ0，将三相静止坐标系下的电压信号u_a、u_b、u_c变换为两相静止坐标系下电压信号u_α、u_β、u_αβ0：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}0}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\\ u_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}0}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],$

其中，i_αβ0、u_αβ0分别为零轴电流和零轴电压，C_3/2为坐标变换矩阵；

(3)计算定子磁链和转矩：

ψ_sα＝∫(u_sα-R_si_sα)dt，ψ_sβ＝∫(u_sβ-R_si_sβ)dt，

$T=\frac{3}{2}{n}_p({\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}{i}_{s\mathrm{\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}{i}_{s\mathrm{\α}}),$

其中，ψ_sα、ψ_sβ为定子磁链，T为转矩，R_s为定子阻抗，n_p为极对数；

(4)计算磁链角度，并根据磁链角度判断定子磁链所在扇区：

$\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}^2},$

$cos\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|},\sin \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|},$

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|}\right),$

其中，θ即为磁链角度；

(5)采集三相感应电机的实际转速，将给定转速与实际转速的差值输入速度调节器，得到目标转矩；

(6)将给定磁链与步骤(3)得到的实际磁链的差值、目标转矩与步骤(3)得到的实际转矩的差值分别输入PWM控制器；

(7)PWM控制器根据步骤(4)判断出的磁链所在扇区向三相桥式逆变器输出控制矢量，控制三相桥式逆变器导通状态：

当磁链位于Ⅰ扇区，则PWM控制器组合输出3个矢量v₃、v₄、v₆；

当磁链位于Ⅱ扇区，则PWM控制器组合输出3个矢量v₁、v₂、v₆；

当磁链位于Ⅲ扇区，则PWM控制器组合输出3个矢量v₂、v₃、v₅；

当磁链位于Ⅳ扇区，则PWM控制器组合输出3个矢量v₁、v₃、v₄；

当磁链位于Ⅴ扇区，则PWM控制器组合输出3个矢量v₁、v₅、v₆；

当磁链位于Ⅵ扇区，则PWM控制器组合输出3个矢量v₂、v₄、v₅；

其中，

矢量v₁对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相下桥臂导通、b相下桥臂导通、c相上桥臂导通；

矢量v₂对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相下桥臂导通、b相上桥臂导通、c相下桥臂导通；

矢量v₃对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相下桥臂导通、b相上桥臂导通、c相上桥臂导通；

矢量v₄对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相上桥臂导通、b相下桥臂导通、c相下桥臂导通；

矢量v₅对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相上桥臂导通、b相下桥臂导通、c相上桥臂导通；

矢量v₆对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相上桥臂导通、b相上桥臂导通、c相下桥臂导通。

采用上述技术方案带来的有益效果：

与传统直接转矩控制方式的单矢量控制不同，本发明在原来单矢量的基础上加入一对大小相等、方向相反的矢量，能够削弱稳态转矩脉动，有效抑制谐波，减小对三相感应电机的损害。

附图说明

图1是本发明的***结构框图；

图2是本发明中三相桥式逆变器的结构图；

图3是本发明矢量扇形分布图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示本发明的***结构框图，基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制***，其特征在于：包括PWM控制器、速度调节器、电流/电压检测电路、坐标变换模块、磁链/转矩观测器、转速传感器、三相桥式逆变器以及第一～第三比较器；所述转速传感器的输入端和电流/电压检测电路的输入端分别连接三相感应电机，转速传感器的输出端连接第一比较器的负输入端，第一比较器的正输入端输入给定转速信号，第一比较器的输出端连接速度调节器的输入端，速度调节器的输出端连接第二比较器的正输入端，电流/电压检测电路的输出端经坐标变换模块与磁链/转矩观测器的输入端连接，第二比较器的负输入端和第三比较器的负输入端分别连接磁链/转矩观测器的输出端，第三比较器的正输入端输入给定磁链信号，第二比较器的输出端、第三比较器的输出端、磁链/转矩观测器的输出端分别连接PWM控制器的输入端，PWM控制器的输出端连接三相桥式逆变器中6个开关管的门极，控制三相桥式逆变器向三相感应电机输出交流电信号。

在本实施例中，速度调节器采用PI调节器。三相桥式逆变器的6个开关管均为IGBT。

在本实施例中，PWM控制器、速度调节器、第一～第三比较器、坐标变换模块和磁链/转矩观测器集成在一片DSP处理器上。DSP处理器的型号为DSP28335。

本发明还包括基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控方法，包括以下步骤：

(1)检测三相感应电机的定子电流、电压信号；

(2)将三相静止坐标系下的电流信号i_a、i_b、i_c变换为两相静止坐标系下电流信号i_α、i_β、i_αβ0，将三相静止坐标系下的电压信号u_a、u_b、u_c变换为两相静止坐标系下电压信号u_α、u_β、u_αβ0：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}0}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\\ u_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}0}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],$

其中，i_αβ0、u_αβ0分别为零轴电流和零轴电压，C_3/2为坐标变换矩阵；

(3)计算定子磁链和转矩：

ψ_sα＝∫(u_sα-R_si_sα)dt，ψ_sβ＝∫(u_sβ-R_si_sβ)dt，

$T=\frac{3}{2}{n}_p({\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}{i}_{s\mathrm{\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}{i}_{s\mathrm{\α}}),$

其中，ψ_sα、ψ_sβ为定子磁链，T为转矩，R_s为定子阻抗，n_p为极对数；

(4)计算磁链角度θ，并根据磁链角度判断定子磁链所在扇区：

$\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}^2},$

$cos\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|},\sin \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|},$

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|}\right),$

其中，θ即为磁链角度；

(5)采集三相感应电机的实际转速，将给定转速与实际转速的差值输入速度调节器，得到目标转矩；

(6)将给定磁链与步骤(3)得到的实际磁链的差值ψ_er、目标转矩与步骤(3)得到的实际转矩的差值T_er分别输入PWM控制器；

(7)PWM控制器根据步骤(4)判断出的磁链所在扇区向三相桥式逆变器输出控制矢量，控制三相桥式逆变器导通状态。矢量扇区的分布如图3所示，以磁链在Ⅰ扇区为例，根据传统直接转矩控制方法，所求得的矢量是v₆，本发明改进的方法是在单矢量v₆基础上加入一对大小相等、方向相反的矢量v₃、v₄，将矢量v₆、v₃、v₄组合后控制三相桥式逆变器的导通状态。完整的6个扇区的矢量选择如表1所示。

表1

磁链扇区	矢量选择
		Ⅰ	v3、v4、v6
Ⅱ	v1、v2、v6
		Ⅲ	v2、v3、v5
Ⅳ	v1、v3、v4
		Ⅴ	v1、v5、v6
Ⅵ	v2、v4、v5

其中，

矢量v₁对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相下桥臂导通、b相下桥臂导通、c相上桥臂导通；

矢量v₂对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相下桥臂导通、b相上桥臂导通、c相下桥臂导通；

矢量v₃对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相下桥臂导通、b相上桥臂导通、c相上桥臂导通；

矢量v₄对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相上桥臂导通、b相下桥臂导通、c相下桥臂导通；

矢量v₅对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相上桥臂导通、b相下桥臂导通、c相上桥臂导通；

矢量v₆对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相上桥臂导通、b相上桥臂导通、c相下桥臂导通。

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 (6)

1.基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制***，其特征在于：包括PWM控制器、速度调节器、电流/电压检测电路、坐标变换模块、磁链/转矩观测器、转速传感器、三相桥式逆变器以及第一～第三比较器；所述转速传感器的输入端和电流/电压检测电路的输入端分别连接三相感应电机，转速传感器的输出端连接第一比较器的负输入端，第一比较器的正输入端输入给定转速信号，第一比较器的输出端连接速度调节器的输入端，速度调节器的输出端连接第二比较器的正输入端，电流/电压检测电路的输出端经坐标变换模块与磁链/转矩观测器的输入端连接，第二比较器的负输入端和第三比较器的负输入端分别连接磁链/转矩观测器的输出端，第三比较器的正输入端输入给定磁链信号，第二比较器的输出端、第三比较器的输出端、磁链/转矩观测器的输出端分别连接PWM控制器的输入端，PWM控制器的输出端连接三相桥式逆变器中6个开关管的门极，控制三相桥式逆变器向三相感应电机输出交流电信号。

2.根据权利要求1所述基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制***，其特征在于：所述速度调节器采用PI调节器。

3.根据权利要求1所述基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制***，其特征在于：所述三相桥式逆变器的6个开关管均为IGBT。

4.根据权利要求1所述基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制***，其特征在于：所述PWM控制器、速度调节器、第一～第三比较器、坐标变换模块和磁链/转矩观测器集成在一片DSP处理器上。

5.根据权利要求4所述基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制***，其特征在于：所述DSP处理器的型号为DSP28335。

6.基于空间矢量的三相感应电机直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)检测三相感应电机的定子电流、电压信号；

(2)将三相静止坐标系下的电流信号i_a、i_b、i_c变换为两相静止坐标系下电流信号i_α、i_β、i_αβ0，将三相静止坐标系下的电压信号u_a、u_b、u_c变换为两相静止坐标系下电压信号u_α、u_β、u_αβ0：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}0}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\\ u_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}0}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],$

其中，i_αβ0、u_αβ0分别为零轴电流和零轴电压，C_3/2为坐标变换矩阵；

(3)计算定子磁链和转矩：

ψ_sα＝∫(u_sα-R_si_sα)dt，ψ_sβ＝∫(u_sβ-R_si_sβ)dt，

$T=\frac{3}{2}{n}_p({\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}{i}_{s\mathrm{\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}{i}_{s\mathrm{\α}}),$

其中，ψ_sα、ψ_sβ为定子磁链，T为转矩，R_s为定子阻抗，n_p为极对数；

(4)计算磁链角度，并根据磁链角度判断定子磁链所在扇区：

$\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}^2},$

$cos\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|},\sin \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|},$

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|}\right),$

其中，θ即为磁链角度；

(5)采集三相感应电机的实际转速，将给定转速与实际转速的差值输入速度调节器，得到目标转矩；

(6)将给定磁链与步骤(3)得到的实际磁链的差值、目标转矩与步骤(3)得到的实际转矩的差值分别输入PWM控制器；

(7)PWM控制器根据步骤(4)判断出的磁链所在扇区向三相桥式逆变器输出控制矢量，控制三相桥式逆变器导通状态：

当磁链位于Ⅰ扇区，则PWM控制器组合输出3个矢量v₃、v₄、v₆；

当磁链位于Ⅱ扇区，则PWM控制器组合输出3个矢量v₁、v₂、v₆；

当磁链位于Ⅲ扇区，则PWM控制器组合输出3个矢量v₂、v₃、v₅；

当磁链位于Ⅳ扇区，则PWM控制器组合输出3个矢量v₁、v₃、v₄；

当磁链位于Ⅴ扇区，则PWM控制器组合输出3个矢量v₁、v₅、v₆；

当磁链位于Ⅵ扇区，则PWM控制器组合输出3个矢量v₂、v₄、v₅；

其中，

矢量v₁对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相下桥臂导通、b相下桥臂导通、c相上桥臂导通；

矢量v₂对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相下桥臂导通、b相上桥臂导通、c相下桥臂导通；

矢量v₃对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相下桥臂导通、b相上桥臂导通、c相上桥臂导通；

矢量v₄对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相上桥臂导通、b相下桥臂导通、c相下桥臂导通；

矢量v₅对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相上桥臂导通、b相下桥臂导通、c相上桥臂导通；

矢量v₆对应的三相桥式逆变器的导通状态：a相上桥臂导通、b相上桥臂导通、c相下桥臂导通。