CN108092584A - 恒定开关频率的永磁同步电机直接转矩控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种恒定开关频率的永磁同步电机直接转矩控制方法，根据两个内环输出的占空比Df和DT的符号和大小以及定子磁链的角度信息，从优化的开关选择表中选择两个基本电压矢量，并且根据定子磁链的角度信息对磁链轴的占空比Df和DT进行修正，最后经过归一化处理后得到转矩轴y轴电压分量Uy的占空比Dy、磁链轴x轴电压分量Ux的占空比Dx和零矢量占空比D0。与现有技术相比，本发明直接输出占空比的转矩、磁链闭环和优化的开关表解决了传统直接转矩开关频率不恒定，低速转矩脉动大的问题；对占空比的修正方法进一步减小了磁链和转矩脉动。

Description

恒定开关频率的永磁同步电机直接转矩控制方法
技术领域
本发明涉及电机转矩控制方法，尤其涉及恒定开关频率的永磁同步电机直接转矩控制方法。
背景技术
永磁同步电机具有结构简单、体积小、运行效率高、功率因数高、转动惯量小等特点，在航天、数控机床、电动汽车等领域应用广泛。
现阶段永磁同步电机的速度控制器常采用矢量控制以及传统的直接转矩控制，矢量控制需要精确的转子位置，虽然控制精度高，但是鲁棒性差，成本需求高；直接转矩控制虽然鲁棒性强，但开关频率不恒定且低速下转矩脉动大，具有一定的局限性。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种恒定开关频率的永磁同步电机直接转矩控制方法。
技术方案：本发明包括以下步骤：
(1)测得永磁同步电机的三相定子电流和电压，经坐标变换后得到两相静止交流坐标下的电流和电压；
(2)经过基于电压积分模型的磁链计算模块估算定子磁链的大小和相位，检测转子速度，测得的转速与估算速度值之差经转速PI调节器后得到给定转矩；
(3)由磁链闭环和转矩闭环直接输出定子坐标系下、矢量空间的磁链轴和转矩轴电压矢量占空比；
(4)根据所述磁链闭环和转矩闭环输出的占空比Df和DT的符号和大小，以及定子磁链的角度信息，从优化的开关表中选择两个基本电压矢量；
(5)根据定子磁链的角度信息对磁链轴的占空比Df和DT进行修正，最后经过归一化处理后得到转矩轴y轴电压分量Uy的占空比Dy、磁链轴x轴电压分量Ux的占空比Dx和零矢量占空比D0。
(6)经过PWM输出环节产生开关信号，经过功率电路后驱动永磁同步电机运行。
步骤(3)中，磁链闭环中，磁链给定值与反馈值的差值乘以一个系数后输出磁链轴电压矢量占空比。转矩闭环中，转矩给定值与反馈值的差值经过PI调节器输出转矩轴电压矢量占空比。磁链闭环和转矩闭环输出的占空比幅值限制范围为-1～1。
步骤(4)中，优化的开关表将电压矢量空间均分为12个小扇区，在每个扇区内都选取与磁链轴和转矩轴方向尽可能近的基本电压矢量充当磁链轴和转矩轴电压矢量。
步骤(5)中，占空比修正环节将两个闭环输出的占空比取绝对值，然后对于磁链闭环输出的占空比在其绝对值的基础上加上或减去k倍的转矩闭环输出的占空比的绝对值，k为修正系数，范围为0.2～0.3。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)直接输出占空比的转矩、磁链闭环和优化的开关表解决了传统直接转矩开关频率不恒定，低速转矩脉动大的问题；(2)基于定子磁链的控制方法解决了矢量控制需要反馈转子位置的问题；(3)对占空比的修正方法进一步减小了磁链和转矩脉动。
附图说明
图1是转矩和磁链闭环控制流程图；
图2是定转子矢量位置图；
图3是电压空间扇区划分图。
具体实施方式
如图1所示，转矩和磁链闭环控制由永磁同步电机、转速传感器、功率变换电路、转速PI调节器、转矩PI调节器、定子磁链和转矩计算、开关表、占空比计算和PWM发生模块组成。其中三相定子电流ia，ib，ic由电流传感器测得，然后进入定子磁链估算模块，结合开关表选择的基本电压矢量Ux、Uy和占空比Dx、Dy计算定子磁链ψs和转矩Te，估算得到的定子磁链和转矩分别作为反馈量反馈至转矩和磁链闭环，两个闭环输出占空比Df、DT，估算得到的定子磁链角度θs用来判断定子磁链所在的扇区，结合闭环输出的Df、DT来选择电压矢量，占空比计算环节计算出Dx、Dy和D0后产生PWM信号，经过功率电路后驱动永磁同步电机运行。
本发明和传统的直接转矩一样采用内外环双闭环结构和电压开关表，外环为转速闭环用来提供参考转矩，内环分别包括转矩闭环和磁链闭环，开关表用来选择电压矢量，所不同的是改进了两个内环的控制方法以及优化了开关表。根据两个内环输出的占空比Df和DT的符号和大小以及定子磁链的角度信息从优化的开关选择表中选择两个基本电压矢量，并且根据定子磁链的角度信息对磁链轴的占空比Df和DT进行修正，最后经过归一化处理后得到转矩轴y轴电压分量Uy的占空比Dy、磁链轴x轴电压分量Ux的占空比Dx和零矢量占空比D0。
转矩闭环和磁链闭环中，转矩反馈值ΔTe经过PI调节后作为转矩轴y轴电压分量Uy的占空比需求量DT，定子磁链反馈值Δψs乘以一个比例系数3/(2Udc·Ts)后作为磁链轴x轴电压分量Ux的占空比需求量Df，且Df、DT幅值限制在[-1,1]之间，大于零表示需要增加磁链或转矩，小于零表示应该减小磁链或转矩。
如图2所示，在定子x轴磁链定向下，电机电压、磁链和转矩方程如下：
|ψs|＝ψx＝L1ix+ψfcos(δ)
0＝ψy＝L1iy+ψfsin(δ)
(注：δ＝α-θ)
忽略电阻压降，空间矢量形式下的电压方程为：
Δψx＝ux·Ts
由于磁链闭环有足够的快速性保证实际磁链与参考磁链相同，可见Uy与Te是非线性的关系，因此利用PI调节器作为转矩内环。磁链和转矩闭环输出的占空比限制在-1～1之间，占空比小于零表示要减小磁链或转矩，相反，大于零则表示应当增大磁链或转矩，因此闭环输出的占空比的符号用来选择开关矢量，而其绝对值才作为基本矢量的占空比。
如图3所示，由于三相全桥逆变器输出的电压只有六个基本矢量，无法输出任意方向和任意幅值的电压矢量，因此利用两个基本矢量去合成矢量，为了避免引入复杂的park变换以及矢量合成占空比计算，对开关表进行优化，将空间矢量扇区12等分，在每个扇区内都选取与磁链x,y轴方向尽可能近的基本电压矢量充当ux、uy，优化的开关表如下：
其中，θs定子磁链角度；Ufi和Ubi(i＝1,2,3)分别表示矢量空间下相对于定子磁链矢量的前向和后向第i个电压矢量，定义逆时针为前向，顺时针为后向。
考虑到磁链波动同时也会引起转矩的波动，因此对磁链占空比又进行了修正补偿，最终的Ux，Uy在一个载波周期Ts内的占空比计算如下：
DT＝|DT|
D0＝1-Dx-Dy
其中k为修正系数，经反复试验其值范围为0.2～0.3。

Claims (6)

1.一种恒定开关频率的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)测得永磁同步电机的三相定子电流和电压，经坐标变换后得到两相静止交流坐标下的电流和电压；
(2)经过基于电压积分模型的磁链计算模块估算定子磁链的大小和相位，检测转子速度，测得的转速与估算速度值之差经转速PI调节器后得到给定转矩；
(3)由磁链闭环和转矩闭环直接输出定子坐标系下、矢量空间的磁链轴和转矩轴电压矢量占空比；
(4)根据所述磁链闭环和转矩闭环输出的占空比Df和DT的符号和大小，以及定子磁链的角度信息，从优化的开关表中选择两个基本电压矢量；
(5)根据定子磁链的角度信息对磁链轴的占空比Df和DT进行修正，最后经过归一化处理后得到转矩轴y轴电压分量Uy的占空比Dy、磁链轴x轴电压分量Ux的占空比Dx和零矢量占空比D0；
(6)经过PWM输出环节产生开关信号，经过功率电路后驱动永磁同步电机运行。
2.根据权利要求1所述的恒定开关频率的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，磁链闭环中的磁链给定值与反馈值的差值乘以一个系数后输出磁链轴电压矢量占空比。
3.根据权利要求1所述的恒定开关频率的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：所述转矩闭环中，转矩给定值与反馈值的差值经过PI调节器输出转矩轴电压矢量占空比。
4.根据权利要求1所述的恒定开关频率的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：所述磁链闭环和转矩闭环输出的占空比幅值限制范围为-1～1。
5.根据权利要求1所述的恒定开关频率的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，优化的开关表将电压矢量空间均分为12个小扇区，在每个扇区内都选取与磁链轴和转矩轴方向尽可能近的基本电压矢量充当磁链轴和转矩轴电压矢量。
6.根据权利要求1所述的恒定开关频率的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中，占空比修正时将两个闭环输出的占空比取绝对值，然后对于磁链闭环输出的占空比在其绝对值的基础上加上或减去k倍的转矩闭环输出的占空比的绝对值，k为修正系数，范围为0.2～0.3。
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