CN105610372B - 表面式永磁同步电机的直接转矩控制方法及*** - Google Patents
表面式永磁同步电机的直接转矩控制方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种表面式永磁同步电机的直接转矩控制方法及***。该方法包括:获取定子电压、定子电流;根据定子电压和定子电流,计算电磁转矩Te和定子磁链ψs;根据Te和ψs,计算当前时刻的转矩角δ,结合转矩角参考值δ*得到下一采样周期内的转矩角变化量Δδ;根据下一采样周期内的转矩角变化量Δδ以及定子磁链与α轴之间的相角ρs,得到下一周期定子磁链与α轴之间的相角参考值ρsref;根据下一周期定子磁链与α轴之间的相角参考值ρsref以及定子磁链参考值计算得到α轴和β轴的定子电压参考值Usα和Usβ,将其作为电压空间矢量调制的输入,实现对表面式永磁同步电机的直接转矩控制。本发明能提高***的动态响应性能,减小转矩脉动。
Description
技术领域
本发明属于永磁同步电机技术领域,更具体地,涉及一种表面式永磁同步电机的直接转矩控制方法及***。
背景技术
传统的直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)方法不运用任何电流调节器、坐标变换和空间矢量脉宽调制信号发生器,仅需要考虑定子坐标轴,其中,定子电阻是影响***性能的唯一电机参数,基于它的控制结构简单,动态响应快,直接转矩控制在过去几十年中已受到了广泛关注。在传统的直接转矩控制中,按照一定的规则从预选开关表中选择一个离散空间电压矢量,通过开关控制来控制电机的转矩和磁通。然而,直接从电压源变换器产生的八个空间电压矢量中,没有一个能精确地控制转矩和磁链。因此,基于磁滞回线的传统直接转矩控制有着转矩和磁链脉动高,开关频率变化等缺陷。
近年来,研究人员已经在集中解决直接转矩控制的这些不足。1991年,Habetler学者在感应电机(Induction Motor,IM)的直接转矩控制中首次引入了空间矢量调制(SpaceVector Modulation,SVM)这一概念。SVM-DTC有效地解决了转矩及磁链脉动大和开关频率变化等问题,因此在接下来的几年里,SVM-DTC得到了快速发展。但传统的SVM-DTC***只使用一个PI控制器来计算基于转矩误差的参考电压矢量,导致***的动态性能差,效果由选择的PI参数决定。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种表面式永磁同步电机的直接转矩控制方法及***,通过近似处理简化电磁转矩Te和定转子磁链之间的相角δ的关系式,加快了***的处理速度,提高了***的动态响应性能,减小了转矩脉动,同时扩大了SVM-DTC的应用范围。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,本发明提供了一种表面式永磁同步电机的直接转矩控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)获取定子电压和定子电流;
(2)根据定子电压和定子电流,计算电磁转矩Te和定子磁链ψs;
(3)根据电磁转矩Te和定子磁链ψs,计算当前时刻的转矩角δ,结合转矩角参考值δ*得到下一采样周期内的转矩角变化量Δδ;
(4)根据下一采样周期内的转矩角变化量Δδ以及定子磁链与α轴之间的相角ρs,得到下一周期定子磁链与α轴之间的相角参考值ρsref;
(5)根据下一周期定子磁链与α轴之间的相角参考值ρsref以及定子磁链参考值计算得到α轴和β轴的定子电压参考值Usα和Usβ,将其作为电压空间矢量调制的输入,实现对表面式永磁同步电机的直接转矩控制。
优选地,所述步骤(3)中,转矩角参考值δ*通过如下方法得到:
(A1)获取电机转速ω;
(A2)将电机转速参考值ω*与电机转速ω的差值进行PI调节得到电磁转矩参考值Te*;
(A3)根据电磁转矩参考值Te*和定子磁链参考值计算得到转矩角参考值δ*。
优选地,电机转速参考值ω*和定子磁链参考值为预先设定量。
优选地,所述步骤(3)中,当前时刻的转矩角δ为:
其中,为电磁转矩的幅值,p为电机极对数,|ψf|为转子磁链的幅值,|ψs|为定子磁链的幅值,Ls为定子电感。
按照本发明的另一方面,提供了一种表面式永磁同步电机的直接转矩控制***,其特征在于,包括:
第一模块,用于获取定子电压和定子电流;
第二模块,用于根据定子电压和定子电流,计算电磁转矩Te和定子磁链ψs;
第三模块,用于根据电磁转矩Te和定子磁链ψs,计算当前时刻的转矩角δ,结合转矩角参考值δ*得到下一采样周期内的转矩角变化量Δδ;
第四模块,用于根据下一采样周期内的转矩角变化量Δδ以及定子磁链与α轴之间的相角ρs,得到下一周期定子磁链与α轴之间的相角参考值ρsref;
第五模块,用于根据下一周期定子磁链与α轴之间的相角参考值ρsref以及定子磁链参考值计算得到α轴和β轴的定子电压参考值Usα和Usβ,将其作为电压空间矢量调制的输入,实现对表面式永磁同步电机的直接转矩控制。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有以下有益效果:
(1)具有更好的动态响应性能,转矩和磁链脉动相对更小。传统的通过两个PI调节器同时协调配合以改善性能的SVM-DTC方法只使用一个PI控制器计算基于转矩误差下的参考电压矢量,导致***的动态性能差,效果由选择的PI参数决定,而本发明基于式(5),通过改进后的转矩控制器和SVM-DTC运算法则,使得表面式永磁同步电机的驱动性能得到增强。
(2)处理速度更快,能广泛适用于SPMSM,IPMSM,Double salient machines等模型中。在转矩方程式变得更复杂以至相角δ很难直接求得时,传统的基于式(6)通过转矩控制器计算相角变化值的SVM-DTC方法便失效了,而本发明通过数学简化处理得到的式(21)~(26)相对于式(6)的线性度很好,加快了转矩控制器的计算速度。另外由于SPMSM电磁转矩方程的特殊性,利用式(6)便能直接计算出相角δ。
附图说明
图1是本发明实施例的表面式永磁同步电机的直接转矩控制方法的原理框图;
图2是计算定子磁链参考位置的原理框图;
图3是在Matlab/Simulink环境下,传统控制方法的仿真波形图,其中,(a)是A相定子绕组电流,(b)是电机转速,(c)是电机电磁转矩,(d)是定子磁链;
图4是在Matlab/Simulink环境下,本发明控制方法的仿真波形图,其中,(a)是A相定子绕组电流,(b)是电机转速,(c)是电机电磁转矩,(d)是定子磁链。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
利用方程式来描述表面贴装式永磁同步电机(SPMSM)转子同步d-q坐标下的动态模型,关系式如下:
定子磁通的方程式如下:
ψd=Ldid+ψf (3)
ψq=Lqiq (4)
电磁转矩可由下式表示:
通过对式(5)进行反余弦变换,可以计算出负载的相角:
其中,ud和uq分别表示d轴和q轴的定子电压,id和iq分别表示d轴和q轴的定子电流,Rs表示定子电阻,Ld和Lq分别表示直轴和交轴的电感,ω表示转子角速度,Te表示电磁转矩,p表示极对数,δ表示定转子磁链之间的相角,ψs和ψf分别表示定子磁链和转子磁链。
如图1所示,本发明实施例的表面式永磁同步电机的直接转矩控制方法包括如下步骤:
(1)获取定子电压、定子电流和电机转速ω;
(2)将预定的电机转速参考值ω*与电机转速ω的差值进行PI调节得到电磁转矩参考值Te*;根据定子电压和定子电流,在SPMSM模型单元中计算电磁转矩Te和定子磁链ψs;
ψsα=∫(usα-Rsisα)dt+ψsα0 (7)
ψsβ=∫(usβ-Rsisβ)dt+ψsβ0 (8)
ρs=arctan(ψsβ/ψsα) (10)
其中,usα和usβ分别为α轴和β轴的定子电压,isα和isβ分别为α轴和β轴的定子电流,ψsα和ψsβ分别为α轴和β轴的定子磁链,ψsα0和ψsβ0分别为α轴和β轴的定子初始磁链,Rs为定子电阻,|ψs|表示定子磁链的幅值,ρs表示定子磁链与α轴之间的相角,p表示电机极对数,Te表示电磁转矩。
(3)如图2所示,根据电磁转矩参考值Te*和预定的定子磁链参考值计算转矩角参考值δ*,根据电磁转矩Te和定子磁链ψs,计算当前时刻的转矩角δ,由转矩角参考值δ*和当前时刻的转矩角δ得到下一采样周期内的转矩角变化量Δδ。
转矩控制器单元能利用电磁转矩和定子磁链的参考值以及SPMSM模型单元得出的值来计算负载相角的变化量。由于三角函数的非线性,利用式(6)反余弦来计算相角时,运算会比较复杂,从而会影响到控制器的处理速度。因此,在公式(5)的基础上,本发明提出了一种改进的转矩控制器。
相角δ的变化范围是从–π/2到π/2,当δ接近0时,sinδ约等于δ。具体表达式如下:
随着δ的增大,再以(12)式来等效会有较大的误差。发现在一定范围内,sinδ与δ近似成一个比例关系,相应的关系式如下:
当δ变得更大,超出上式(13)和(14)所在的范围时,sinδ与δ的关系开始呈现非线性。但是通过求导以及正余弦间的变换可改变相角范围从而使其适用于式(12)的条件,最后可以得到求导式与(π/2+δ)和(π/2-δ)间的近似关系,具体关系式如下:
由于式(15)和(16)中涉及到求导的非线性运算,在复杂的环境中运用此算法仍然不太方便,会影响运算的速度。针对此问题,在这里运用数学方法进行简化近似,以使得该算法能更好的运用到复杂的环境中去。具体的方法就是从点(δ,sinδ)到(-π/2,-1)或者(π/2,1)连线的斜率近视等于sinδ-δ曲线上两坐标中点处切线的斜率,相应的表达式如下:
联立式(15)~(18)四个方程式,整理可得:
上式(19)和(20)的表达式虽然也是非线性的,里面的sinδ是关于δ的二次函数,但是相比前面涉及到的求导运算,式(19)和(20)在运用到复杂环境中时已经要简单很多。把式(12)~(16)中的关于δ的表达式代入到式(5)中替换掉等式里的sinδ,可以得到δ从-π/2到π/2变化时,Te和δ间的等式关系。相应的式子如下:
其中,|ψf|为转子磁链的幅值,Ls为定子电感,Tep表示电磁转矩的幅值;
通过转矩和磁链的参考值以及SPMSM模型单元得出的值,只要选择好合适的区域范围及对应的公式,就能较快地计算出转矩角。
(4)根据下一采样周期内的转矩角变化量Δδ以及定子磁链与α轴之间的相角ρs,得到下一周期定子磁链与α轴之间的相角参考值ρsref;
(5)根据下一周期定子磁链与α轴之间的相角参考值ρsref以及预定的定子磁链参考值利用参考电压计算单元计算得到α轴和β轴的定子电压参考值Usα和Usβ,将其作为电压空间矢量调制单元SVM的输入,产生空间矢量脉宽调制(SVPWM)信号SA、SB和SC,最终控制电压源型逆变器VSI驱动表面式永磁同步电机(SPMSM),实现对电机的直接转矩控制。
其中,Ts为采样周期,ρsref表示定子磁链和α轴之间在下个周期的相角参考值。
在Matlab/Simulink环境下,比较传统控制方法与本发明控制方法的A相定子绕组电流、电机转速、电机电磁转矩和定子磁链,试验条件为0.5s时给负载转矩11Nm,电机转速200r/min(额定转速10%);1.5s时给负载转矩-11Nm,电机转速-200r/min(额定转速-10%)。仿真结果如图3和图4所示,可见,传统控制方法下,在电机加速或减速的过程当中,转矩脉动都相对较大,在负载转矩突变时,相电流存在较大的失真;而本发明的控制方法下,磁链和转矩脉动都很小,转矩图形平稳光滑,动态响应快。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种表面式永磁同步电机的直接转矩控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)获取定子电压和定子电流;
(2)根据定子电压和定子电流,计算电磁转矩Te和定子磁链ψs;
(3)根据电磁转矩Te和定子磁链ψs,计算当前时刻的转矩角δ,结合转矩角参考值δ*得到下一采样周期内的转矩角变化量Δδ;
(4)根据下一采样周期内的转矩角变化量Δδ以及定子磁链与α轴之间的相角ρs,得到下一周期定子磁链与α轴之间的相角参考值ρsref;
(5)根据下一周期定子磁链与α轴之间的相角参考值ρsref以及定子磁链参考值计算得到α轴和β轴的定子电压参考值Usα和Usβ,将其作为电压空间矢量调制的输入,实现对表面式永磁同步电机的直接转矩控制。
2.如权利要求1所述的表面式永磁同步电机的直接转矩控制方法,其特征在于,所述步骤(3)中,转矩角参考值δ*通过如下方法得到:
(A1)获取电机转速ω;
(A2)将电机转速参考值ω*与电机转速ω的差值进行PI调节得到电磁转矩参考值Te*;
(A3)根据电磁转矩参考值Te*和定子磁链参考值计算得到转矩角参考值δ*。
3.如权利要求2所述的表面式永磁同步电机的直接转矩控制方法,其特征在于,电机转速参考值ω*和定子磁链参考值为预先设定量。
4.如权利要求1至3中任一项所述的表面式永磁同步电机的直接转矩控制方法,其特征在于,所述步骤(3)中,当前时刻的转矩角δ为:
其中,为电磁转矩的幅值,p为电机极对数,|ψf|为转子磁链的幅值,|ψs|为定子磁链的幅值,Ls为定子电感。
5.一种表面式永磁同步电机的直接转矩控制***,其特征在于,包括:
第一模块,用于获取定子电压和定子电流;
第二模块,用于根据定子电压和定子电流,计算电磁转矩Te和定子磁链ψs;
第三模块,用于根据电磁转矩Te和定子磁链ψs,计算当前时刻的转矩角δ,结合转矩角参考值δ*得到下一采样周期内的转矩角变化量Δδ;
第四模块,用于根据下一采样周期内的转矩角变化量Δδ以及定子磁链与α轴之间的相角ρs,得到下一周期定子磁链与α轴之间的相角参考值ρsref;
第五模块,用于根据下一周期定子磁链与α轴之间的相角参考值ρsref以及定子磁链参考值计算得到α轴和β轴的定子电压参考值Usα和Usβ,将其作为电压空间矢量调制的输入,实现对表面式永磁同步电机的直接转矩控制。
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