一种基于合成电压矢量技术的异步电机直接转矩控制方法

摘要

本发明公开了一种基于合成电压矢量技术的异步电机直接转矩控制方法，通过检测电机的定子端电流和电压，并经过3/2变换把三相电流电压变换到α和β坐标下，由估算模块计算出反馈转矩和定子磁链矢量，然后将反馈值与给定值进行比较，转矩滞环比较器使用零滞环带，磁链PI控制器代替磁链滞环控制器，减少磁链轨迹畸变；在电压矢量选择表中选择电压空间矢量得到控制电压矢量输出；其后在合成电压矢量脉宽调制输出信号控制器中，将一个采样周期中的控制电压矢量以及零电压矢量合成一个新的电压矢量。本发明中磁链和转矩控制器能迅速且无静差地跟踪给定信号，显著减少了转矩的波动和和磁链轨迹畸变，使得转矩波动大大减小，很大地提高了系统输出的转矩性能。

说明书

技术领域

本发明涉及电机转矩控制方法，具体涉及一种异步电机直接转矩控制方法。

背景技术

直接转矩控制是20世纪80年代继矢量控制技术之后发展起来的一种新的交流变频调速技术。发展至今，直接转矩控制与矢量控制已经成为在高性能交流变频调速领域最为常用的两种方法。与矢量控制不同的是，直接转矩控制采用空间矢量分析方法，将检测到的定子电压和电流信号，直接在定子坐标系下计算，省去了复杂的坐标变换和电流调节。它利用两个滞环比较器，根据瞬时误差使定子磁链和转矩向各自的给定值变化，因此能够产生非常快速的动态转矩响应。另外，直接转矩控制在运算中使用的电机参数非常少，大大减小了电机参数波动对控制性能的影响。

传统直接转矩控制的一个显著缺点是输出转矩波动较大，而空间矢量调制技术可以有效地解决这个问题，目前已有的基于矢量控制技术的直接转矩控制算法可以极大地减小输出转矩的波动，但计算量非常大，而且需要使用更多的电机参数；虽然控制性能有所提高，但直接转矩控制结构简单的特点却没有了。

专利“一种异步电机直接转矩控制控制系统中的转速调节方法(申请号200910195204.1)”公开了一种新的速度调节IP控制方法，通过对直接转矩系统中的传统PI速度调节器进行改造，得到新的IP控制方法，加快了系统响应速度，减少了超调量。但是在直接转矩控制系统中强调的是转矩的实际控制效果，仅通过改进外环PI速度控制器并无法解决转矩波动过大、磁链轨迹畸变等问题，对于提高转矩性能效果不佳。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于合成电压矢量技术的异步电机直接转矩控制方法，以显著减少了转矩的波动和磁链轨迹的畸变，减小转矩波动，提高系统输出的转矩性能。

技术方案：

本发明提供的基于合成电压矢量技术的异步电机直接转矩控制系统，其包括合成电压矢量脉宽调制输出信号控制器1，估算模块2，转矩滞环控制器3，磁链PI控制器4，电压矢量选择表5，PI速度控制器6，逆变器7，定子电压电流采集器8，异步电机9，速度观测器10。本系统是一个双闭环控制系统，其中内环控制异步电机的转矩和磁链，外环使用了一个PI速度控制器6，与经过速度观测器10采集到的电机转速与给定值相比较之后，产生给定转矩值T_e^*，以控制电机转速。

其中逆变器7的输入为直流电压V_dc和合成电压矢量脉宽调制输出信号控制器1输出的合成电压矢量V，逆变器输出的三相电压V_a,V_b,V_c为异步电机9的输入；

速度观测器10的输入为异步电机9的输出；速度观测器10的输出为采集到的异步电机9的电机转速；

PI速度控制器6的输入为速度观测器10的输出与给定值的差值，输出值为给定转矩值T_e^*；

定子电压电流采集器8的输入为异步电机9(还是逆变器7输出的)定子端的电流和电压，并经3/2变换把三相电流电压变换到α和β坐标下，输出V_α,i_α和V_β,i_β，作为估算模块2的输入；估算模块2的输出为反馈转矩T_e、定子磁链矢量ψ_s、磁链角θ_S以及反电动势e；

PI速度控制器6输出的给定转矩值T_e^*与估算模块2输出的反馈转矩T_e的差值，即转矩误差E_T，作为转矩滞环控制器3的输入；

估算模块2输出的定子磁链矢量ψ_s经过和给定磁链值ψ_s^*比较得到的磁链误差E_ψ，作为磁链PI控制器4的输入；

电压矢量选择表5的输入为所述转矩滞环控制器3输出的转矩误差正负表示值C_T、磁链PI控制器4输出的控制信号C_ψ以及估算模块2输出的磁链角θ_S；

合成电压矢量脉宽调制输出信号控制器1的输入为所述转矩误差E_T、电压矢量选择表5输出的控制电压V_k、估算模块2输出的定子磁链矢量ψ_s和反电动势e。

为解决上述技术问题，本发明提供的基于合成电压矢量技术的异步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤1)：比较给定转速值ω_m^*与通过速度观测器采集异步电机的转速ω_m，将两者差值通过PI速度控制器得到给定转矩值T_e^*；

步骤2)：通过定子电压电流采集器采集异步电机定子端的电流和电压，并经过3/2变换把三相电流电压变换到α和β坐标下，并由估算模块计算出反馈转矩T_e、定子磁链矢量ψ_s、磁链角θ_S以及反电动势e；

步骤3)：反馈值与给定值进行比较，包括：

步骤3.1)：比较估算模块输出的反馈转矩T_e和给定转矩值T_e^*，得到转矩误差E_T＝T_e^*-T_e，经零滞环带的转矩滞环比较器得到转矩误差正负表示值C_T；

本发明的转矩滞环控制器以实际转矩值和参考转矩值之差作为输入，当实际转矩值与参考转矩值之差较大时,合成电压矢量脉宽调制输出信号控制器输出的合成电压矢量V作用时间长,使得转矩误差尽快减小。当实际转矩值与参考转矩值之差较小时,合成电压矢量脉宽调制输出信号控制器输出的合成电压矢量V作用时间较短,使得转矩不会产生很大变化。

步骤3.2)：比较估算模块输出的定子磁链矢量ψ_s和给定磁链值ψ_s^*，将磁链误差E_ψ＝ψ_s^*-ψ_s通过磁链PI控制器输出控制信号C_ψ；

步骤4)：结合所述的表示转矩误差正负的C_T、控制信号C_ψ、以及磁链角θ_S，在电压矢量选择表中选择电压空间矢量，得到控制电压矢量V_k；

步骤5)：在合成电压矢量脉宽调制输出信号控制器中，结合所述的转矩误差E_T、控制电压V_k、定子磁链矢量ψ_s和反电动势e，计算得到控制电压矢量V_k作用时间占采样周期时间的比率δ，在一个采样周期中前δ部分的时间中输出V等于控制电压矢量V_k，其余时间中输出V为零电压矢量V₀，从而得到合成电压矢量V，以此输入逆变器，进而得到逆变器输出的三相电压V_a,V_b,V_c以驱动异步电机。

优选的，上述步骤5)中，控制电压矢量V_k作用时间占采样周期时间的比率δ为：

$>\delta =\frac{\frac{2{\mathrm{\sigma L}}_s}{{3n}_p}·\frac{E_T}{{\mathrm{\Delta t}}_p}+{\psi }_s·(\frac{{\mathrm{d\psi }}_s}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\sigma L}}_s\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}})}{{\psi }_s·V_k}---\left(108\right);$>

其中：Δt_p为一个采样周期的时间；

σ为漏感系数，L_s为定子的磁感，L_r为转子的磁感，L_m为互感；

ψ_s为定子磁链矢量，ψ_s＝∫(ν_s-R_si_s)dt，ν_s为定子电压矢量，i_s为定子电流矢量，R_s为定子电阻；V_k为控制电压矢量，n_p是电机的极对数；E_T为转矩误差，E_T＝T_e^*-T_e，

ψ_r为转子磁链矢量，θ为转矩角。

有益效果：本发明所提供的基于合成电压矢量技术的异步电机直接转矩控制方法，根据一个采样周期中瞬时转矩的改变量与合成电压矢量之间的关系，结合控制电压矢量以及零电压矢量求出能够补偿当前转矩误差的合成电压矢量；整体方法结构较为简便，磁链和转矩控制器能迅速且无静差地跟踪给定信号，显著减少了转矩的波动和和磁链轨迹畸变，使得转矩波动大大减小，很大地提高系统输出的转矩性能。

附图说明

图1是基于合成电压矢量技术的异步电机直接转矩控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，本实施列对本发明不构成限定。

如图1所示，本实施例提供的基于合成电压矢量技术的异步电机直接转矩控制系统，其包括合成电压矢量脉宽调制输出信号控制器1，估算模块2，转矩滞环控制器3，磁链PI控制器4，电压矢量选择表5，PI速度控制器6，逆变器7，定子电压电流采集器8，异步电机9，速度观测器10。本系统是一个双闭环控制系统，其中内环控制异步电机的转矩和磁链，外环使用了一个PI速度控制器6，与经过速度观测器10采集到的电机转速与给定值相比较之后，产生给定转矩值T_e^*，以控制电机转速。

其中逆变器7的输入为直流电压V_dc和合成电压矢量脉宽调制输出信号控制器1输出的合成电压矢量V，逆变器输出的三相电压V_a,V_b,V_c为异步电机9的输入；

速度观测器10的输入为异步电机9的输出；速度观测器10的输出为采集到的异步电机9的电机转速；

PI速度控制器6的输入为速度观测器10的输出与给定值的差值，输出值为给定转矩值T_e^*；

定子电压电流采集器8的输入为异步电机9(还是逆变器7输出的)定子端的电流和电压，并经3/2变换把三相电流电压变换到α和β坐标下，输出V_α,i_α和V_β,i_β，作为估算模块2的输入；估算模块2的输出为反馈转矩T_e、定子磁链矢量ψ_s、磁链角θ_S以及反电动势e；

PI速度控制器6输出的给定转矩值T_e^*与估算模块2输出的反馈转矩T_e的差值，即转矩误差E_T，作为转矩滞环控制器3的输入；

估算模块2输出的定子磁链矢量ψ_s经过和给定磁链值ψ_s^*比较得到的磁链误差E_ψ，作为磁链PI控制器4的输入；

电压矢量选择表5的输入为所述转矩滞环控制器3输出的转矩误差正负表示值C_T、磁链PI控制器4输出的控制信号C_ψ以及估算模块2输出的磁链角θ_S；

合成电压矢量脉宽调制输出信号控制器1的输入为所述转矩误差E_T、电压矢量选择表5输出的控制电压V_k、估算模块2输出的定子磁链矢量ψ_s和反电动势e。

本实施例提供的基于合成电压矢量技术的异步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：

为解决上述技术问题，本发明提供的基于合成电压矢量技术的异步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤1)：比较给定转速值ω_m^*与通过速度观测器采集异步电机的转速ω_m，将两者差值通过PI速度控制器得到给定转矩值T_e^*；

步骤2)：通过定子电压电流采集器采集异步电机定子端的电流和电压，并经过3/2变换把三相电流电压变换到α和β坐标下，并由估算模块计算出反馈转矩T_e、定子磁链矢量ψ_s、磁链角θ_S以及反电动势e；

步骤3)：反馈值与给定值进行比较，包括：

步骤3.1)：比较估算模块输出的反馈转矩T_e和给定转矩值T_e^*，得到转矩误差E_T＝T_e^*-T_e，经零滞环带的转矩滞环比较器得到转矩误差正负表示值C_T；

步骤3.2)：比较估算模块输出的定子磁链矢量ψ_s和给定磁链值ψ_s^*，将磁链误差E_ψ＝ψ_s^*-ψ_s通过磁链PI控制器输出控制信号C_ψ；

步骤4)：结合所述的表示转矩误差正负的C_T、控制信号C_ψ、以及磁链角θ_S，在电压矢量选择表中选择电压空间矢量，得到控制电压矢量V_k；

步骤5)：在合成电压矢量脉宽调制输出信号控制器中，结合所述的转矩误差E_T、控制电压V_k、定子磁链矢量ψ_s和反电动势e，计算得到控制电压矢量V_k作用时间占采样周期时间的比率δ，在一个采样周期中前δ部分的时间中输出V等于控制电压矢量V_k，其余时间中输出V为零电压矢量V₀，从而得到合成电压矢量V，以此输入逆变器，进而得到逆变器输出的三相电压V_a,V_b,V_c以驱动异步电机。

合成电压矢量脉宽调制输出信号控制器1的具体实现步骤如下：在本实施例采用的基于合成电压矢量技术的异步电机直接转矩控制方法中，其中所选的控制电压矢量V_k只在该采样周期中作用一部分时间，剩余的时间选择零电压矢量，也就是将用一个采样周期中的控制电压矢量V_k和零电压矢量V₀合成为一个新的电压矢量，用此合成的电压矢量代理原来的两个电压矢量作用于整个采样周期。在考虑控制效果相同的情况下，要保证改进过后一个周期内定子磁链矢量的改变量跟改进前的相同，因此由_Δψ_s＝ν_sΔt，(_Δψ_s为定子磁链矢量，ν_s为定子电压矢量，_Δt为时间改变量)。

进而可推出下面公式：

VΔt_p＝V_kδΔt_p+V₀(1-δ)Δt_p                 (101)；

其中，Δt_p为一个采样周期的时间，δ为控制电压矢量V_k在一个采样周期内的占空比，且0≤δ≤1，V₀为零矢量，结合求得合成电压矢量V为：

V＝V_kδ                 (102)；

根据静止d-q坐标下的电机模型方程可以得到式103：

$>\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}=\frac{V-e}{{\mathrm{\sigma L}}_s}---\left(103\right);$>

其中e是反电动势。在一个采样周期Δt_p时间内，考虑到该时间非常短暂，所以近似由式103推导定子电流的改变量，对式103在时间0-Δt_p内积分，得到定子电流的改变量Δi_s为：

$>{\mathrm{\Delta i}}_s=\frac{V-e}{{\mathrm{\sigma L}}_s}{\mathrm{\Delta t}}_p---\left(104\right);$>

其中：i_s为定子电流，Δi_s为定子电流改变量，σ为漏感系数，L_s和L_r为定子和和转子的磁感，L_m为互感；

一般情况下，定子电流的时间常数是比Δt_p大得多的，因此，在Δt_p时间内定子电流是呈现线性变化的，结合式104求得相应的反馈转矩的改变量为：

$>{\mathrm{\Delta T}}_e=\frac{3}{2}{n}_p·{\psi }_s·{\mathrm{\Delta i}}_s=\frac{3}{2}{n}_p·{\psi }_s·\frac{V-e}{{\mathrm{\sigma L}}_s}{\mathrm{\Delta t}}_p---\left(105\right);$>

其中，反电动势e可以由公式106来估算：

$>e=\frac{{\mathrm{d\psi }}_s}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\sigma L}}_s\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}---\left(106\right);$>

其中ψ_s为定子磁链矢量；

为使产生的转矩波动最小，应该是在下一个采样周期开始时候转矩刚好达到参考值，换而言之，也就是本采样周期内，由合成电压矢量所引起的转矩增量变化应该能恰好补偿当前的转矩误差，即：

ΔT_e＝ΔT_e^*-T_e＝E_T              (107)；

其中：T_e^*为给定转矩值，E_T为转矩误差。

结合式102、106、107和105，得到控制电压矢量V_k作用时间占采样周期时间的比率δ为：

$>\delta =\frac{\frac{2{\mathrm{\sigma L}}_s}{{3n}_p}·\frac{E_T}{{\mathrm{\Delta t}}_p}+{\psi }_s·(\frac{{\mathrm{d\psi }}_s}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\sigma L}}_s\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}})}{{\psi }_s·V_k}---\left(108\right);$>

其中：Δt_p为一个采样周期的时间；

σ为漏感系数，L_s为定子的磁感，L_r为转子的磁感，L_m为互感；

ψ_s为定子磁链矢量，ψ_s＝∫(ν_s-R_si_s)dt，ν_s为定子电压矢量，i_s为定子电流矢量，R_s为定子电阻；V_k为控制电压矢量，n_p是电机的极对数；

E_T为转矩误差，E_T＝T_e^*-T_e；

ψ_r为转子磁链矢量，θ为转矩角。

控制系统的外环则使用了一个PI控制器106，在经过速度观测器110采集到的电机转速与给定值相比较之后，产生给定转矩值T_e^*，并控制电机转速。