CN107425780A - 一种无刷双馈电机直接转矩控制的***和方法 - Google Patents

一种无刷双馈电机直接转矩控制的***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无刷双馈电机直接转矩控制的***和方法，将电磁转矩偏差、磁链幅值偏差、磁链角在扇区内所处位置模糊化后送入模糊控制器，根据制定的模糊控制规则确定一个控制周期内有效电压矢量的占空比，通过有效电压矢量与零矢量分别作用不同时间来减小直接转矩控制时的转矩与磁链脉动。本发明的优点在于：在保持传统直接转矩控制优点的基础上，有效的减小转矩脉动，改善直接转矩控制的性能。特别适用于无刷双馈电机的变频调速和风力发电控制***的应用。

Description

一种无刷双馈电机直接转矩控制的***和方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种无刷双馈电机直接转矩控制的***和方法。
背景技术
无刷双馈电机是近年来发展起来的一种新型电机，无刷双馈电机有两套三相对称定子绕组和一个转子绕组，其中一套定子绕组为功率绕组，另一套定子绕组为控制绕组。无刷双馈电机运行的基本原理是经过特殊设计的转子使得两套定子绕组产生不同极对数的旋转磁场间接相互作用，并能对其相互作用进行控制来实现能量传递。它兼有异步电机和同步电机的共同优点,与普通异步电动机相比，具有结构简单、运行可靠、所需变频器装置容量较小等特点。由于无刷双馈电机去掉了转子侧电刷，因此提高了电机的机械的稳定性，降低了维修成本。
无刷双馈电机的直接转矩控制，具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点。传统直接转矩控制采用双滞环控制器对转矩和磁链进行分别控制，因此在每个采样周期中仅有一个有效电压矢量起作用，无法实现对转矩和磁链误差的完全补偿，从而使得转矩脉动较大。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种无刷双馈电机直接转矩控制的***和方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种无刷双馈电机直接转矩控制的***，包括：磁链与转矩观测器、转矩比较器器、磁链比较器、直接转矩控制单元、占空比模糊控制器、占空比时间计算器、锯齿波发生器、占空比控制单元、直流电源、逆变器和无刷双馈电机构成；
所述磁链与转矩观测器用于计算得到磁链、转矩、控制绕组磁链角；
所述磁链与转矩观测器输出的磁链与转矩分别与给定磁链、给定转矩比较后得到磁链偏差与转矩偏差；
所述磁链比较器输出端、转矩比较器输出端、磁链观测器输出端与直接转矩控制输入端相连；磁链比较器输出端、转矩比较输出端、磁链观测器输出端与模糊控制器输入端相连；模糊控制器输出端与占空比时间计算器输入端相连；占空比时间计算器与占空比控制器相连；锯齿波发生器与占空比控制器相连；直接转矩控制器输出端经占空比控制器与与逆变器输入控制端相连；直流电源与逆变器输入端相连；逆变器输出端与无刷双馈电机相连。
进一步地，所述直接转矩控制器包括：转矩滞环控制器、磁链滞环控制器、电压矢量表；转矩滞环控制器和磁链滞环控制器都与电压矢量表连接，直接转矩控制器根据转矩滞环控制器输出、磁链滞环控制器输出、磁链角大小选择合适的电压矢量。
一种无刷双馈电机直接转矩控制的方法，包括如下步骤：
步骤一：根据磁链观测与转矩观测器得到观测磁链、磁链角与观测转矩，并与给定磁链、给定转矩比较后得到磁链偏差、转矩偏差；
步骤二：转矩偏差、磁链偏差、磁链角送入直接转矩控制器，根据转矩滞环控制器输出、磁链滞环控制器输出、磁链角确定合适的电压矢量；
步骤三：转矩偏差、磁链偏差、磁链角送入模糊控制器，模糊控制器根据制定的模糊控制规则计算有效电压矢量作用时间占空比；
步骤四：模糊控制器输出的占空比送入占空比时间计算器，根据控制周期时长计算有效电压矢量作用的时间；
步骤五：占空比控制单元根据占空比计算器计算出的有效电压作用时长与锯齿波发生器产生的基准信号进行比较，当达到有效电压作用时间时，由零电压矢量继续作用直至本控制周期结束；
步骤六：在下一控制周期时，重复上述操作。
进一步地，本方法转矩误差在其论域[0，2]上定义了3个模糊子集{S，M，L}，磁链角δ的在其论域[0，π/3]上定义了3个模糊子集{S，M，L}，有效电压矢量占空比在其论域[0，1]上定义了3个模糊子集{S，M，L}。
进一步地，本方法转矩误差的论域为[0，2]，磁链误差的论域为[0，0.01]，磁链角的论域为[0,π/3]，有效电压矢量占空比的论域为[0，1]
进一步地，模糊控制器根据磁链偏差的需要增加或减小制定了两套模糊控制规则，模糊控制器推理方法采用Mamdani算法，取最大隶属度对应的输出量为有效电压矢量的占空比。
进一步地，所述两套模糊规则为：
当磁链幅值需要增加时，模糊控制规则为：
当磁链幅值需要减小时模糊控制规则为：
。
与现有技术相比本发明的优点在于：在传统直接转矩控制的基础上，通过模糊控制器与模糊控制算法实现有效矢量占空比的控制，从而在一个控制周期内有效电压矢量作用一部分时间，其余时间由零电压矢量作用，在保持传统直接转矩控制优点的基础上，能够有效的减小转矩脉动，改善直接转矩控制的性能，在不改变逆变器拓扑结构的基础上可以有效地补偿当前转矩和磁链误差，减小转矩脉动。特别适用于无刷双馈电机的变频调速和风力发电控制***的应用。
附图说明
图1是本发明实施例的控制***结构示意图；
图2是本发明实施例中直接转矩控制器结构图；
图3是本发明实施例中所述转矩偏差、磁链角、占空比的隶属度函数曲线图；
图4为现有技术无刷双馈电机直接转矩控制转矩仿真波形示意图；
图5为本发明实施例转矩仿真波形示意图；
图6为现有技术无刷双馈电机直接转矩控制磁链仿真波形；
图7位本发明实施例的磁链仿真波形示意图；
图8位本发明实施例方法控制时模糊控制器输出的占空比仿真波形示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种无刷双馈电机直接转矩控制的***，包括：磁链与转矩观测器、转矩比较器器、磁链比较器、直接转矩控制单元、占空比模糊控制器、占空比时间计算器、锯齿波发生器、占空比控制单元、直流电源、逆变器和无刷双馈电机构成；
所述磁链与转矩观测器用于计算得到磁链、转矩、控制绕组磁链角；
所述磁链与转矩观测器输出的磁链与转矩分别与给定磁链、给定转矩比较后得到磁链偏差与转矩偏差；
所述磁链比较器输出端、转矩比较器输出端、磁链观测器输出端与直接转矩控制输入端相连；磁链比较器输出端、转矩比较输出端、磁链观测器输出端与模糊控制器输入端相连；模糊控制器输出端与占空比时间计算器输入端相连；占空比时间计算器与占空比控制器相连；锯齿波发生器与占空比控制器相连；直接转矩控制器输出端经占空比控制器与与逆变器输入控制端相连；直流电源与逆变器输入端相连；逆变器输出端与无刷双馈电机相连。
如图2所示，所述直接转矩控制器包括：转矩滞环控制器、磁链滞环控制器、电压矢量表；转矩滞环控制器和磁链滞环控制器都与电压矢量表连接，直接转矩控制器根据转矩滞环控制器输出、磁链滞环控制器输出、磁链角大小选择合适的电压矢量。
一种无刷双馈电机直接转矩控制的方法，包括如下步骤：
步骤一：根据磁链观测与转矩观测器得到观测磁链、磁链角与观测转矩，并与给定磁链、给定转矩比较后得到磁链偏差、转矩偏差；
步骤二：转矩偏差、磁链偏差、磁链角送入直接转矩控制器，根据转矩滞环控制器输出、磁链滞环控制器输出、磁链角确定合适的电压矢量；
步骤三：转矩偏差、磁链偏差、磁链角送入模糊控制器，模糊控制器根据制定的模糊控制规则计算有效电压矢量作用时间占空比；
步骤四：模糊控制器输出的占空比送入占空比时间计算器，根据控制周期时长计算有效电压矢量作用的时间；
步骤五：占空比控制单元根据占空比计算器计算出的有效电压作用时长与锯齿波发生器产生的基准信号进行比较，当达到有效电压作用时间时，由零电压矢量继续作用直至本控制周期结束；
步骤六：在下一控制周期时，重复上述操作。
如图3所示，的本发明方法转矩误差ETe在其论域[0，2]上定义了3个模糊子集{S，M，L}，磁链角δ的在其论域[0，π/3]上定义了3个模糊子集{S，M，L}，有效电压矢量占空比在其论域[0，1]上定义了3个模糊子集{S，M，L}。
模糊控制器根据磁链偏差的需要增加或减小制定了两套模糊控制规则，模糊控制器推理方法采用Mamdani算法，取最大隶属度对应的输出量为有效电压矢量的占空比。
所述两套模糊规则为：
当磁链幅值需要增加时，模糊控制规则为：
当磁链幅值需要减小时模糊控制规则为：
采用本发明构成的无刷双馈电机控制***仿真结果如图4～图8所示。电机参数如下：功率绕组极对数为4，控制绕组极对数为1，功率绕组接220V/50Hz工品电源，电机参数：功率绕组自感Ldp＝0.0604H；控制绕组自感Ldc＝0.1307H；功率绕组与转子绕组互感Mpr＝0.0268H；控制绕组与转子绕组互感Mcr＝0.0279H；功率绕组电阻Rp＝0.401Ω；控制绕组电阻Rc＝0.5009Ω；转子绕组自感Lr＝0.0184H；转子绕组电阻Rr＝7.5353e-5Ω；电机转动惯量J＝0.8kg·m2；磁链给定Ψc_ref＝0.85Wb。仿真时给定转速为624rpm，给定转矩初始值为0N·m，t＝1s时转矩突变为40N·m，逆变器开关频率设置为5kHz。
图4和图5分别为现有技术无刷双馈电机直接转矩控制与本发明控制方法分别控制时的转矩仿真波形，对比图4、图5可见本发明所采用方法转矩脉动明显变小，直接转矩控制时转矩脉动约为8N·m，本发明控制方法控制时转矩脉动约为4N·m，转矩脉动大大降低；
图6和图7分别为现有技术无刷双馈电机直接转矩控制与本发明控制方法分别控制时的磁链仿真波形，对比图6、图7可见本发明所采用方法磁链脉动明显减小；
图8为本发明控制方法控制时模糊控制器输出的占空比仿真波形，由图8可知，在不同控制周期，有效电压矢量作用时间不同，从而实现对转矩脉动的有效抑制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无刷双馈电机直接转矩控制的***，其特征在于包括：磁链与转矩观测器、转矩比较器、磁链比较器、直接转矩控制单元、占空比模糊控制器、占空比时间计算器、锯齿波发生器、占空比控制单元、直流电源、逆变器和无刷双馈电机构成；
所述磁链与转矩观测器用于计算得到磁链、转矩、控制绕组磁链角；
所述磁链与转矩观测器输出的磁链与转矩分别与给定磁链、给定转矩比较后得到磁链偏差与转矩偏差；
所述磁链比较器输出端、转矩比较器输出端、磁链观测器输出端与直接转矩控制输入端相连；磁链比较器输出端、转矩比较输出端、磁链观测器输出端与模糊控制器输入端相连；模糊控制器输出端与占空比时间计算器输入端相连；占空比时间计算器与占空比控制器相连；锯齿波发生器与占空比控制器相连；直接转矩控制器输出端经占空比控制器与与逆变器输入控制端相连；直流电源与逆变器输入端相连；逆变器输出端与无刷双馈电机相连。
2.根据权利要求1所述的一种无刷双馈电机直接转矩控制的***，其特征在于：所述直接转矩控制器包括：转矩滞环控制器、磁链滞环控制器、电压矢量表；直接转矩控制器根据转矩滞环控制器输出、磁链滞环控制器输出、磁链角大小选择合适的电压矢量。
3.一种无刷双馈电机直接转矩控制的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：根据磁链观测与转矩观测器得到观测磁链、磁链角与观测转矩，并与给定磁链、给定转矩比较后得到磁链偏差、转矩偏差；
步骤二：转矩偏差、磁链偏差、磁链角送入直接转矩控制器，根据转矩滞环控制器输出、磁链滞环控制器输出、磁链角确定合适的电压矢量；
步骤三：转矩偏差、磁链偏差、磁链角送入模糊控制器，模糊控制器根据制定的模糊控制规则计算有效电压矢量作用时间占空比；
步骤四：模糊控制器输出的占空比送入占空比时间计算器，根据控制周期时长计算有效电压矢量作用的时间；
步骤五：占空比控制单元根据占空比计算器计算出的有效电压作用时长与锯齿波发生器产生的基准信号进行比较，当达到有效电压作用时间时，由零电压矢量继续作用直至本控制周期结束；
步骤六：在下一控制周期时，重复上述操作。
4.根据权利要求3所述的一种无刷双馈电机直接转矩控制的方法，其特征在于：本方法转矩误差在其论域[0，2]上定义了3个模糊子集{S，M，L}，磁链角δ的在其论域[0，π/3]上定义了3个模糊子集{S，M，L}，有效电压矢量占空比在其论域[0，1]上定义了3个模糊子集{S，M，L}。
5.根据权利要求4所述的一种无刷双馈电机直接转矩控制的方法，其特征在于：本方法转矩误差的论域为[0，2]，磁链误差的论域为[0，0.01]，磁链角的论域为[0,π/3]，有效电压矢量占空比的论域为[0，1]。
6.根据权利要求5所述的一种无刷双馈电机直接转矩控制的方法，其特征在于：模糊控制器根据磁链偏差的需要增加或减小制定了两套模糊控制规则，模糊控制器推理方法采用Mamdani算法，取最大隶属度对应的输出量为有效电压矢量的占空比。
7.根据权利要求6所述的一种无刷双馈电机直接转矩控制的方法，其特征在于：所述两套模糊规则为：
当磁链幅值需要增加时，模糊控制规则为：
当磁链幅值需要减小时模糊控制规则为：
。
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