CN110086398B - 一种基于占空比控制的直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于占空比控制的直接转矩控制方法，包括以下步骤：S1、采集电机的转速ω、转角θ以及三相电流i_sa、i_sb和i_sc数据；S2、将三相电流i_sa、i_sb和i_sc转换到旋转坐标系下获得电流i_sd和i_sq；S3、计算电磁转矩T_e、d轴磁链ψ_d、q轴磁链ψ_q和定子磁链的幅值ψ_s；S4、计算定子磁链所在扇区；S5、计算实时定子磁链指令值

根据转速PI控制得到转矩参考值

S6、用查表法选取电压矢量u_i；S7、计算当前时刻定子磁链与作用时刻d轴的夹角θ_ψd：S8、根据所选的有效电压矢量u_i、转速ω_r、转角θ_r计算u_i与作用时刻的d轴的夹角θ_ud：S9、计算所选的有效电压矢量的占空比h；计算逆变器各个开关管的输入脉冲。本发明对占空比的计算方法进行了改进，可有效降低转矩和转速低频段谐波成分的幅值。

Description

一种基于占空比控制的直接转矩控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机直接转矩控制技术领域，具体是一种基于占空比控制的直接转矩控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有高功率密度、高运行效率、结构简单可靠、控制性能优良等优点，被广泛应用于化工、家电等领域。目前永磁同步电机的交流调速方法主要包括直接转矩控制和矢量控制等。相对于矢量控制，直接转矩控制方法简单、转矩相应快，但转矩波动大，存在较大转矩谐波。直接转矩控制包括传统的滞环比较直接转矩控制，基于占空比控制的直接转矩控制，以及基于空间电压矢量调制的直接转矩控制。

传统的滞环比较直接转矩控制在一个控制周期内只作用一个电压矢量，转矩波动较大。基于占空比的控制通过结合有效电压矢量和零矢量，改变有效电压矢量作用的时间，即改变了控制周期内作用的有效电压的幅值。基于空间电压矢量调制的方法也可以减小转矩波动，该方法通过每个控制周期使用相邻两个有效电压矢量和零矢量结合的方法，可以得到任意幅值和相位的电压矢量，但需要计算出每个控制周期所选择的电压矢量的作用时间，与基于占空比的控制方法相比，计算更为复杂，且由于一个控制周期内选择了两个有效矢量，逆变器开关管的开关次数增加，开关损失较大。

在现有的基于占空比控制的直接转矩控制方法中，有通过PI实现对占空比的控制，考虑了隐极式永磁同步电机的转矩仅与定子磁链交轴分量成正比的关系，并通过PI控制快速计算所选有效电压矢量的占空比；也有通过转矩变化值进行占空比计算的，但该方法是建立在控制定子磁链幅值恒定，通过控制转矩角实现对电机转矩的控制。这些方法都没有考虑所选有效电压矢量的具体方向对实时转矩变化的影响，以及控制时刻的滞后带来的角度变化。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于占空比控制的直接转矩控制改进方案，该方法结合无磁链闭环永磁同步电机直接转矩控制思想，有效利用了所选有效电压矢量的方向信息，并考虑了控制时刻的滞后带来的角度变化，有效利用定子磁链和定子电流分量的变化规律，对影响转矩变化的磁链分量进行严格控制，可有效降低转矩和转速低频段谐波成分的幅值。

本发明通过如下技术方案实现。

一种基于占空比控制的新型直接转矩控制方法，包括以下步骤：

S1、采集数据，所述数据包括电机的转速ω_r、转角θ以及其在稳态工况下的三相电流i_sa、i_sb和i_sc；

S2、将采集的三相电流i_sa、i_sb和i_sc转换到旋转坐标系下获得电流i_sd和i_sq；

S3、根据电流i_sd和i_sq计算该时刻的电磁转矩T_e、d轴磁链ψ_d、q轴磁链ψ_q和定子磁链的幅值ψ_s；

S4、根据d轴磁链ψ_d、q轴磁链ψ_q和转角θ计算出静止两相正交坐标系下定子磁链所在扇区；

S5、根据最大转矩电流比控制(Maximum Torque Per Ampere，MTPA)由所得的电磁转矩T_e、转子磁链ψ_f计算实时定子磁链指令值

根据转速PI控制得到转矩参考值

S6、根据电磁转矩的偏差sgn(ΔT_e)、定子磁链的偏差sgn(ΔΨ_s)和定子磁链所在扇区n用查表法选取电压矢量u_i；

S7、根据当前时刻的转矩T_e、定子磁链ψ_s和转速ω_r计算当前时刻定子磁链与作用时刻d轴的夹角θ_ψd：

S8、根据所选的有效电压矢量u_i、转速ω_r、转角θ计算u_i与作用时刻的d轴的夹角θ_ud：

S9、根据转矩参考值

磁链参考值

当前时刻磁链和有效电压矢量分别与d轴的夹角θ_ψd和θ_ud，计算所选的有效电压矢量的占空比h；根据所选的有效电压矢量及其占空比(公式9)计算逆变器各个开关管的输入脉冲，从而实现基于占空比控制的直接转矩控制。

进一步地，所述的步骤S1中，三相电流i_sa、i_sb和i_sc通过霍尔传感器获得，转速ω和转角θ通过光电编码器获得。

进一步地，步骤S2包括以下步骤：

S21、将三相电流i_sa、i_sb和i_sc先经过Clark变换到静止坐标系中得到i_sα和i_sβ，其中，Clark变换如下：

S22、再通过Park变换将静止坐标系转换到旋转坐标系得到电流i_sd和i_sq，其中，Park变换如下：

其中，θ为电机转角。

进一步地，步骤S3的电磁转矩T_e、d轴磁链ψ_d，q轴磁链ψ_q和定子磁链的幅值ψ_s是从旋转坐标系中计算，计算公式如下：

其中，L_d、L_q分别为d轴和q轴电感，ψ_f为转子磁链。该计算有效避免了因直接在静态坐标系下对电压进行积分导致计算误差较大而引起的低频振荡较大的问题。

进一步地，步骤S4中，根据d轴磁链ψ_d和q轴磁链ψ_q以及转角θ计算出静止两相正交坐标系下定子磁链所在扇区n，静止两相正交坐标系下的定子磁链所在扇区可以通过下式得到：

ψ_sα为静止两相正交坐标系下α轴的磁链，ψ_sβ为β轴的磁链。

其所在的扇区可以通过计算其转角，根据转角可以确定定子磁链所在扇区：

为静止两相正交坐标系下磁链与α轴的夹角。

进一步地，所述的步骤S5中，实时定子磁链指令值

根据以下公式计算得到：

其中，L_q为q轴电感，T_e为电磁转矩，ψ_f为转子磁链，p为极对数。

进一步地，所述的步骤S6中，根据电磁转矩的偏差sgn(ΔT_e)和定子磁链的偏差sgn(ΔΨ_s)以及定子磁链所在扇区n，通过查询表1，选取电压矢量u_i，i＝0～7：

表1电压矢量选择表

进一步地，所述的步骤S7，考虑控制周期的滞后角度，利用定子磁链分量的变化规律，由转矩表达式可知，计算当前定子磁链与作用时刻(即当前时刻的下一时刻)d轴的夹角θ_ψd，即当前定子磁链与作用时刻转子磁链

的夹角，因为作用时刻为当前时刻的下一时刻，所以

转过的角度为一个控制周期转过的电角度，即延迟角θ_d：

δ_k为负载角，T_s为控制周期，ω_r为电机转速。

进一步地，所述的步骤S8中，所选有效电压矢量u_i与作用时刻的d轴的夹角θ_ud由下式计算得到：

其中i为所选电压矢量的序号，

为电压矢量与静止两相正交坐标系中α轴的夹角。

进一步地，步骤S9中所述的占空比h计算由磁链分量与转矩的关系，基于坐标转换，使得给定定子磁链的q轴分量和当前时刻定子磁链的q轴分量与所选的有效电压矢量在q轴上的投影之和相等，由此计算得到占空比h，其计算公式如下：

其中，V_k为所需电压矢量幅值，V_n为所选有效电压矢量的幅值，n为所选扇区。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点及效果：该方法结合了无磁链闭环直接转矩控制方法的思想，没有闭环控制定子磁链幅值为定值，而是从转矩控制的机理出发，根据隐极式永磁同步电机的转矩仅与定子磁链交轴分量成正比的公式，仅仅控制定子磁链的交轴分量；有效利用了所选有效电压矢量的方向信息，并考虑了控制时刻的滞后带来的角度变化，精确计算每一控制周期所选有效电压矢量的占空比，能有效抑制转矩和转速的谐波分量。

附图说明

图1是本实施一种基于占空比控制的直接转矩控制方法流程步骤图；

图2是本实施基于占空比控制的永磁同步电机转矩低频谐波抑制方法原理图；

图3是本实施中所选的有效电压矢量的占空比计算过程中各变量的坐标示意图；

图4是本实施控制方法改进前和改进后永磁同步电机在恒定转矩下的转矩时域对比图；

图5是本实施控制方法改进前和改进后永磁同步电机在恒定转矩下的转矩频域对比图；

图6是本实施控制方法改进前和改进后永磁同步电机在恒定转矩下的转速频域对比图；

图7是本实施控制方法改进前和改进后永磁同步电机在变转矩下的转矩时域对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例首先是在Simulink中建立隐极式永磁同步电机(permanent magnetsynchronous motor，PMSM)模型，并在控制回路中设置死区时间t_d。由于从采集到信号到计算并输出占空比需要时间，为了更好地模拟实际情况，加入了延时模块(1/z模块)，该模块本时刻的输出为它上一时刻的输入，也就是输入信号延迟一个采样周期输出。

如图1和图2所示的一种基于占空比控制的直接转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、通过霍尔传感器获取电流i_sa、i_sb和i_sc，转速ω_r、转角θ转速则通过光电编码器采集。

步骤S2、三相电流i_sa、i_sb和i_sc先经过Clark变换到静止坐标系中得到i_sα和i_sβ。

Clark变换如下：

再通过Park变换将静止坐标系转换到旋转坐标系得到i_sd和i_sq:

Park变换如下：

步骤S3、从旋转坐标系计算电磁转矩T_e、d轴磁链ψ_d和q轴磁链ψ_q公式如下：

其中，L_d、L_q分别为定子d轴和q轴电感，ψ_f是转子磁链；通过坐标变换得到磁链的方法与通过对电压进行积分得到磁链相比，可以有效减小积分误差带来的低频振荡问题。

步骤S4、由d轴磁链ψ_d和q轴磁链ψ_q通过反Park变换得到α轴磁链ψ_α和β轴磁链ψ_β，并计算定子磁链ψ_s与静止两相坐标系中α轴的夹角。

ψ_sα为静止两相正交坐标系下α轴的磁链，ψ_sβ为β轴的磁链。

其所在的扇区可以通过计算其转角，根据转角可以确定定子磁链所在扇区：

为静止两相正交坐标系下磁链与α轴的夹角。

步骤S5、根据MTPA(最大转矩电流比控制)计算定子磁链参考值

其中，L_q为q轴电感，T_e为电磁转矩，ψ_f为转子磁链，p为极对数。

步骤S6、给定转速

与实时转速ω_r的差值通过PI控制获得电磁转矩T_e ^*指令；根据电磁转矩T_e ^*与计算电磁转矩T_e的差的符号sgn(ΔT_e)、定子磁链幅值ψ与S5中计算得到的定子磁链参考值

的差的符号sgn(ΔΨ_s)，以及步骤S4中计算得到的定子磁链所在的扇区n，根据表1选择所需的有效电压矢量u_i，i＝0～7：

表2电压矢量选择表

步骤S7、考虑控制周期的滞后角度，利用定子磁链分量的变化规律，由转矩表达式可知，计算当前定子磁链与作用时刻(即当前时刻的下一时刻)d轴的夹角θ_ψd，即当前定子磁链与作用时刻转子磁链

的夹角，因为作用时刻为当前时刻的下一时刻，所以

转过的角度为一个控制周期转过的电角度，即θ_d：

δ_k为负载角，θ_d为延迟角，T_s为控制周期，ω_r为电机转速。

S8、根据所选的有效电压矢量u_i、转速ω_r、转角θ计算u_i与作用时刻的d轴的夹角θ_ud：

其中i为所选电压矢量的序号，

为电压矢量与静止两相正交坐标系中α轴的夹角。

S9、根据转矩参考值

磁链参考值

当前时刻磁链和有效电压矢量分别与d轴的夹角θ_ψd和θ_ud，计算所选的有效电压矢量的占空比h，具体的，由磁链分量与转矩的关系，通过坐标转换，使得给定定子磁链的q轴分量和当前时刻定子磁链的q轴分量与所选有效电压矢量在q轴上的投影之和相等，由此计算得到所选有效电压矢量的占空比h，其计算公式如下：

其中，V_k为所需电压矢量幅值，V_n为所选有效电压矢量的幅值，n为所选扇区。

根据所选的有效电压矢量及其占空比计算，得到一组控制逆变器各个开关管通断的输入脉冲，从而实现基于占空比控制的直接转矩控制。

为了验证所提方法的可行性和正确性，建立某永磁同步电机仿真模型，比较传统方法与本发明方法的转矩时域波形和频域谐波成分，以及转速频域波形。图3至图5的试验条件为：定值负载转矩为5Nm，给定电机转速为1500rpm，求解器为固定步长，载波频率为10000Hz。

表3永磁同步电机和逆变器相关参数

图4是永磁同步电机转矩时域对比波形图。从图中可以看出传统控制方法下电机电磁转矩波动量在0.5Nm左右，本发明中电机电磁转矩波动量在0.3Nm左右，波动量降低了40％左右。验证了本发明所述方案的有效性。

图5是永磁同步电机转矩频域对比波形图。从图中可以看出，传统控制方法下转矩低频出现了600Hz、1200Hz、1800Hz和2400Hz等主要频率成分，本发明中电机转矩低频部分主要出现了600Hz频率成分，其它频率成分幅值非常小，可以不予考虑。同时观察幅值可以发现，本发明中600Hz处幅值相比较传统控制方法，降低效果明显，说明低频转矩频率成分得到了有效抑制。高频部分两种控制方法几乎没有区别。

图6为永磁同步电机转速频域对比波形图，从图中可以看到，传统的方法下转矩低频出现了600Hz、1200Hz、1800Hz和2400Hz等主要频率成分，本发明的方法所得的转矩低频虽然也出现了600Hz、1200Hz、1800Hz和2400Hz等频率成分，但是幅值明显减小。在0-600Hz范围内，传统方法还出现了100Hz和300Hz的频率成分，本发明的方法中这些频率成分的幅值都明显要小于传统方法。

图7为永磁同步电机试验条件为转速初始为1500rpm，初始转矩为5Nm，0.6s后转矩变为10Nm。从图6转矩时域对比波形图可以看到，变工况时本发明方法的转矩响应速度和传统方法相差不多，但转矩波动更小。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于占空比控制的直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集数据，所述数据包括电机的转速ω_r、转角θ以及其在稳态工况下的三相电流i_sa、i_sb和i_sc；

S2、将采集的三相电流i_sa、i_sb和i_sc转换到旋转坐标系下获得电流i_sd和i_sq；

S3、根据电流i_sd和i_sq计算该时刻的电磁转矩T_e、d轴磁链ψ_d、q轴磁链ψ_q和定子磁链的幅值ψ_s；

S4、根据d轴磁链ψ_d、q轴磁链ψ_q和转角θ计算出静止两相正交坐标系下定子磁链所在扇区；

S5、根据最大转矩电流比控制由所得的电磁转矩T_e、转子磁链ψ_f计算实时定子磁链指令值

根据转速PI控制得到转矩参考值

S6、根据电磁转矩的偏差sgn(ΔT_e)、定子磁链的偏差sgn(ΔΨ_s)和定子磁链所在扇区n用查表法选取电压矢量u_i；

S7、根据当前时刻的转矩T_e、定子磁链ψ_s和转速ω_r计算当前时刻定子磁链与作用时刻d轴的夹角θ_ψd，计算公式如下；

δ_k为负载角，θ_d为延迟角，T_s为控制周期，ω_r为电机转速，L_s为电机电感，p为电机的极对数；

S8、根据所选的有效电压矢量u_i、转速ω_r、转角θ计算u_i与作用时刻的d轴的夹角θ_ud，具体由下式计算得到：

其中i为所选的有效电压矢量的序号，

为电压矢量与静止两相正交坐标系中α轴的夹角；

S9、根据转矩参考值

磁链参考值

当前时刻磁链和有效电压矢量分别与d轴的夹角θ_ψd和θ_ud，计算所选的有效电压矢量的占空比h；根据所选的有效电压矢量及其占空比计算逆变器各个开关管的输入脉冲，从而实现基于占空比控制的直接转矩控制，占空比h，其计算公式如下：

V_k＝hV_n

其中，V_n为所选有效电压矢量的幅值。

2.根据权利要求1所述的一种基于占空比控制的直接转矩控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述三相电流i_sa、i_sb和i_sc通过霍尔传感器获得，所述转速ω和转角θ通过光电编码器获得。

3.根据权利要求1所述的一种基于占空比控制的直接转矩控制方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：

S21、将三相电流i_sa、i_sb和i_sc先经过Clark变换到静止坐标系中得到电流i_sα和i_sβ，其中，Clark变换如下：

S22、再通过Park变换将静止坐标系转换到旋转坐标系得到电流i_sd和i_sq，其中，Park变换如下：

其中，θ为电机转角。

4.根据权利要求1所述的一种基于占空比控制的直接转矩控制方法，其特征在于，步骤S3的电磁转矩T_e、d轴磁链ψ_d，q轴磁链ψ_q和定子磁链的幅值ψ_s是从旋转坐标系中计算，计算公式如下：

其中，L_d和L_q分别为d轴和q轴电感，ψ_f为转子磁链。

5.根据权利要求1所述的一种基于占空比控制的直接转矩控制方法，其特征在于，步骤S4所述的静止两相正交坐标系下定子磁链所在扇区通过计算得到：

ψ_sα为静止两相正交坐标系下α轴的磁链，ψ_sβ为β轴的磁链；

其所在的扇区通过计算其转角，根据转角确定定子磁链所在扇区：

为静止两相正交坐标系下磁链与α轴的夹角。

6.根据权利要求1所述的一种基于占空比控制的直接转矩控制方法，其特征在于，步骤S5中，所述的实时定子磁链指令值

根据以下公式计算得到：

其中，L_q为q轴电感，T_e为电磁转矩，ψ_f为转子磁链，p为极对数。

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