一种降低电机转矩脉动的直接转矩控制系统及方法与流程

本发明涉及异步电机的直接转矩控制技术领域，特别是一种降低电机转矩脉动的直接转矩控制系统及方法。

背景技术：

直接转矩控制技术在发展过程中不断地优化和提高，目前对该技术的研究仍然较多。直接转矩控制技术摒弃了矢量控制中解耦的思想，根据定子磁链的位置、定子磁链和转矩的误差，采用滞环比较器和开关逻辑表，直接生成作用于电机的定子电压矢量，驱动电机运行。该技术具有对电机模型参数依赖程度小的优点，已成为交流传动的新热点，但其缺点是磁链控制不对称、电流和转矩脉动较大等。为了克服传统直接转矩控制技术的缺点，行业内已提出了很多方法，Lascu C等提出模糊逻辑自适应方法，吴晓东和南余荣提出在一个周期使转矩平均值逼近的方法，但这些方法的算法较复杂，依赖多项电机参数。

目前的直接转矩控制方法，当考虑定子电阻的影响时，其区间选择不精确，定子磁链处于区段线附近时控制性能变差，没有考虑转矩增加的前提条件及磁链变化的临界条件，且转矩脉动虽有减小但效果有限，因此不能准确有效的对电机进行控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种稳定度高、稳定性好的降低电机转矩脉动的直接转矩控制系统及方法，能够根据实时转速调整系统控制参数，以保证较小的转矩脉动且快速的动、静态响应。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种降低电机转矩脉动的直接转矩控制系统，包括电机状态观测模块、电压矢量生成模块和电机控制模块，其中：

电机状态观测模块，采集电机运行过程中电机输出轴转速、定子绕组瞬时线电压和线电流，从而计算出如下电机状态信息：当前定子磁链幅值、电磁转矩、定子磁链所在扇区和电机输出轴转速；

电压矢量生成模块，根据电机状态观测模块得到的电机状态信息，结合电机转速、系统设定转速与系统设定定子磁链幅值，得出如下电机控制信息：电机控制模块需要输出的基本电压矢量和该基本电压矢量所作用的时间；

电机控制模块，根据电压矢量生成模块得到的电机控制信息，提供电机所需的电压矢量。

进一步地，所述电机状态观测模块包括磁链观测器、转矩观测器和转速观测器，其中：

磁链观测器，根据电机定子线电压和线电流计算当前定子磁链幅值；所述磁链观测器根据电机转动角速度选取观测模型：当电机转动角速度低于额定转速的20％时，选用u-i模型；当电机转动角速度高于额定转速的40％时，选用i-ω模型；当电机转动角速度处于额定转速的20％到40％时，根据当前转速与额定转速30％的差值对两种模型的磁链观测结果进行加权平均；

转矩观测器，根据电机定子磁链与电流计算当前电磁转矩值；

转速观测器，获取电机输出轴的转速信息。

进一步地，所述电压矢量生成模块包括磁链调节模块、转速调节模块、转矩调节模块、扇区判断模块、占空比计算模块、基本电压矢量选择模块，其中：

磁链调节模块，将系统预设的定子磁链幅值和当前的定子磁链幅值进行做差运算，并将所得误差信号进行滞环控制生成磁链控制信号，滞环根据电机转速选取容差：当电机转速低于额定转速的30％时，选取系统给定磁链幅值的0.1％作为滞环容差；当电机转速高于额定转速的60％时，选取系统给定磁链幅值的1％作为滞环容差；当电机转速位于额定转速的30％到60％范围内，选取系统给定磁链幅值的0.5％作为滞环容差；所述磁链控制信号为0或者1，当误差信号小于负容差或者在正负容差范围内且处于上升趋势时输出0，当误差信号大于正容差或者在正负容差范围内且处于下降趋势时输出1；

转速调节模块，根据转速信息及预设转速值进行PID运算，得出给定转矩值；

转矩调节模块，将所述给定转矩值和当前转矩值进行做差运算，并将所得误差信号进行双层滞环控制生成转矩控制信号，所述双层滞环根据电机速度选取容差：当电机转速低于额定转速的30％时，转矩调节模块选取系统参考转矩值的0.01％作为滞环容差；当电机转速高于额定转速的60％时，转矩调节模块选取系统参考转矩值的0.1％作为滞环容差；当电机转速位于额定转速的30％到60％范围内，转矩调节模块选取系统参考转矩值的0.05％作为滞环容差，所述转矩控制信号为0、1或者2，当误差信号小于负容差或者大于负容差小于零且处于上升趋势时输出0，当误差信号大于正容差或者小于正容差大于零且处于下降趋势时输出2，除此之外输出1；

扇区判断模块，根据定子磁链信息在α-β坐标轴上的分量，计算出定子磁链当前所在位置与α轴正方向的夹角，从而确定定子磁链所在扇区，所述扇区范围为1、2、3、4、5、6，从与α轴正方向夹角-30度开始，逆时针方向取60度范围作为一个扇区，编号为1，并以此类推，将空间分为6个扇区，并依次编号；

占空比计算模块，根据转矩误差量和磁链误差量分别占系统设定值的比例值，结合电机当前转速选取不同的权值分别对比例值进行加权平均：当电机转速低于额定转速的30％时，转矩误差比例信息权值为1.5，磁链误差比例信息权值为1；当转速高于额定转速的60％时，转矩误差比例信息权值为10，磁链误差比例信息权值为1.5；当转速位于额定转速的30％到60％范围内，转矩误差比例信息权值为3，磁链误差比例信息权值为2；进而得到有效电压矢量作用时间和在控制周期中的占空比，占空比范围为0到1；

基本电压矢量选择模块，根据所述磁链控制信号、转矩控制信号和磁链所在扇区生成系统所需基本电压矢量。

进一步地，所述电机控制模块根据电压矢量生成模块得出的电机控制信息，向电机输出作用时间随占空比变化的基本电压矢量，从而对电机进行控制。

一种降低电机转矩脉动的直接转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤1，获取电机定子绕组线电压值与线电流值，进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的定子绕组电压值与电流值，通过所述磁链观测器和转矩观测器得到两相静止坐标系下的定子磁链幅值与电磁转矩值；

步骤2，获取电机输出轴转速值，并与系统预设转速值进行做差运算，通过转速调节器得出系统参考电磁转矩值；

步骤3，将两相静止坐标系下的定子磁链值和电流值转发至扇区判断模块，得到当前定子磁链扇区号；

步骤4，将定子磁链幅值和电磁转矩值分别转发至磁链调节器和转矩调节器，该两项调节器将系统瞬时状态值与系统参考值分别进行做差运算，并将做差运算的结果进行滞环控制分别生成磁链控制信号与转矩控制信号；

步骤5，计算转矩误差量与磁链误差量分别占其系统设定值的比例值，结合电机当前转速选取不同的系数对该两项比例值进行加权平均，计算得到有效电压矢量作用时间和在控制周期中的占空比，占空比范围为0到1；

步骤6，将所述扇区号、磁链控制信号和转矩控制信号转发至电压矢量选择模块，得到当前系统所需基本电压矢量，并根据所述占空比值设置所需基本电压矢量的作用时间，施加给电机，控制电机运行。

进一步地，步骤4所述将做差运算的结果进行滞环控制分别生成磁链控制信号与转矩控制信号，所述滞环在电机处于不同速度时选取不同的容差：当转速低于额定转速的30％时，磁链调节模块与转矩调节模块分别选取系统参考值0.1％和0.01％作为容差；当转速高于额定转速的60％时，磁链调节模块与转矩调节模块分别选取系统参考值1％和0.1％作为容差；当转速位于额定转速的30％到60％范围内，磁链调节模块与转矩调节模块分别选取系统参考值0.5％和0.05％作为容差；所述磁链控制信号为0或者1，所述转矩控制信号为0、1或者2。

进一步地，步骤5所述结合电机当前转速选取不同的系数对该两项比例值进行加权平均，具体为：

当转速低于额定转速的30％时，选取转矩误差比例信息权值为1.5，磁链误差比例信息权值为1；当转速高于额定转速的60％时，选取转矩误差比例信息权值为10，磁链误差比例信息权值为1.5；当转速位于额定转速的30％到60％范围内，选取转矩误差比例信息权值为3，磁链误差比例信息权值为2。

进一步地，步骤5所述计算转矩误差量与磁链误差量分别占其系统设定值的比例值，结合电机当前转速选取不同的系数对该两项比例值进行加权平均，计算得到有效电压矢量作用时间和在控制周期中的占空比，具体为：

步骤5.1，将所述定子磁链幅值与系统预设定子磁链幅值进行运算，得到所述定子磁链幅值相对于系统预设定子磁链幅值的磁链误差比例信息；

步骤5.2，将所述电磁转矩值与所述系统设定电磁转矩值进行运算，得到所述电磁转矩值相对于所述系统设定电磁转矩值的转矩误差比例信息；

步骤5.3，根据所述电机转速所处的不同范围，分别确定磁链误差比例信息和转矩误差比例信息的权值；

步骤5.4，计算所述磁链偏差比例信息和转矩偏差比例信息的加权平均值，得出电机转矩脉动最小条件下的占空比信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)整体结构简单，只增加一个占空比计算模块，根据转矩和磁链的实时误差比例，确定有效电压矢量作用占空比，有效抑制转矩脉动且计算简便，实现难度小；(2)磁链调节器与转矩调节器根据不同的转速范围选取不同的容差组合，充分考虑了不同的转速情况下磁链与转矩滞环容差对系统转矩脉动的影响，结合全转速定子磁链观测器，能够有效降低因容差选取的不科学而导致的转矩脉动过大；(3)占空比计算模块对磁链误差比例信息和转矩误差比例信息进行加权平均，实时调整有效电压矢量作用时间，计算简便，能够同时对转矩和磁链进行准确调整；(4)占空比计算模块根据当前电机转速所处范围，实时调整加权平均中的权值，充分考虑了不同转速下转矩误差比例信息和磁链误差信息对占空比计算不同的贡献度，能够提高对电机控制的准确性，加快系统响应的同时减小转矩和电流脉动。

附图说明

图1是本发明降低电机转矩脉动的直接转矩控系统的结构示意图。

图2是本发明降低电机转矩脉动的直接转矩控系统的工作方法流程图。

具体实施方法

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

结合图1，本发明降低电机转矩脉动的直接转矩控制系统，包括电机状态观测模块、电压矢量生成模块和电机控制模块，其中：

一、电机状态观测模块，采集电机运行过程中电机输出轴转速、定子绕组瞬时相电压和相电流，从而计算出如下电机状态信息：当前定子磁链幅值、电磁转矩、定子磁链所在扇区和电机输出轴转速；

具体地，所述电机状态观测模块包括磁链观测器、转矩观测器和转速观测器，其中：

磁链观测器，根据电机定子线电压和线电流计算当前定子磁链幅值；所述磁链观测器根据电机转动角速度选取观测模型：当电机转动角速度低于额定转速的20％时，选用u-i模型；当电机转动角速度高于额定转速的40％时，选用i-ω模型；当电机转动角速度处于额定转速的20％到40％时，根据当前转速与额定转速30％的差值对两种模型的磁链观测结果进行加权平均；

转矩观测器，根据电机定子磁链与电流计算当前电磁转矩值；

转速观测器，获取电机输出轴的转速信息。

二、电压矢量生成模块，根据电机状态观测模块得到的电机状态信息，结合电机转速、系统设定转速与系统设定定子磁链幅值，得出如下电机控制信息：电机控制模块需要输出的基本电压矢量和该基本电压矢量所作用的时间；

所述电压矢量生成模块包括磁链调节模块、转速调节模块、转矩调节模块、扇区判断模块、占空比计算模块、基本电压矢量选择模块，其中：

磁链调节模块，将系统预设的定子磁链幅值和当前的定子磁链幅值进行做差运算，并将所得误差信号进行滞环控制生成磁链控制信号，滞环根据电机转速选取容差：当电机转速低于额定转速的30％时，选取系统给定磁链幅值的0.1％作为滞环容差；当电机转速高于额定转速的60％时，选取系统给定磁链幅值的1％作为滞环容差；当电机转速位于额定转速的30％到60％范围内，选取系统给定磁链幅值的0.5％作为滞环容差；所述磁链控制信号为0或者1，当误差信号小于负容差或者在正负容差范围内且处于上升趋势时输出0，当误差信号大于正容差或者在正负容差范围内且处于下降趋势时输出1；

转速调节模块，根据转速信息及预设转速值进行PID运算，得出给定转矩值；

转矩调节模块，将所述给定转矩值和当前转矩值进行做差运算，并将所得误差信号进行双层滞环控制生成转矩控制信号，所述双层滞环根据电机速度选取容差：当电机转速低于额定转速的30％时，转矩调节模块选取系统参考转矩值的0.01％作为滞环容差；当电机转速高于额定转速的60％时，转矩调节模块选取系统参考转矩值的0.1％作为滞环容差；当电机转速位于额定转速的30％到60％范围内，转矩调节模块选取系统参考转矩值的0.05％作为滞环容差，所述转矩控制信号为0、1或者2，当误差信号小于负容差或者大于负容差小于零且处于上升趋势时输出0，当误差信号大于正容差或者小于正容差大于零且处于下降趋势时输出2，除此之外输出1；

扇区判断模块，根据定子磁链信息在α-β坐标轴上的分量，计算出定子磁链当前所在位置与α轴正方向的夹角，从而确定定子磁链所在扇区，所述扇区范围为1、2、3、4、5、6，从与α轴正方向夹角-30度开始，逆时针方向取60度范围作为一个扇区，编号为1，并以此类推，将空间分为6个扇区，并依次编号；

占空比计算模块，根据转矩误差量和磁链误差量分别占系统设定值的比例值，结合电机当前转速选取不同的权值分别对比例值进行加权平均：当电机转速低于额定转速的30％时，转矩误差比例信息权值为1.5，磁链误差比例信息权值为1；当转速高于额定转速的60％时，转矩误差比例信息权值为10，磁链误差比例信息权值为1.5；当转速位于额定转速的30％到60％范围内，转矩误差比例信息权值为3，磁链误差比例信息权值为2；进而得到有效电压矢量作用时间和在控制周期中的占空比，占空比范围为0到1；

基本电压矢量选择模块，根据所述磁链控制信号、转矩控制信号和磁链所在扇区生成系统所需基本电压矢量。

三、电机控制模块，根据电压矢量生成模块得到的电机控制信息，提供电机所需的电压矢量；

具体地，所述电机控制模块根据电压矢量生成模块得出的电机控制信息，向电机输出作用时间随占空比变化的基本电压矢量，从而对电机进行控制。

结合图2，本发明降低电机转矩脉动的直接转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤1，获取电机定子绕组三相端电压值与电流值，进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的定子绕组电压值与电流值，通过所述磁链观测器和转矩观测器得到两相静止坐标系下的定子磁链幅值与电磁转矩值；

步骤2，获取电机输出轴转速值，并与系统预设转速值进行做差运算，通过转速调节器得出系统参考电磁转矩值；

步骤3，将两相静止坐标系下的定子磁链值和电流值转发至扇区判断模块，得到当前定子磁链扇区号；

步骤4，将定子磁链幅值和电磁转矩值分别转发至磁链调节器和转矩调节器，该两项调节器将系统瞬时状态值与系统参考值分别进行做差运算，并将做差运算的结果进行滞环控制分别生成磁链控制信号与转矩控制信号；

所述将做差运算的结果进行滞环控制分别生成磁链控制信号与转矩控制信号，所述滞环在电机处于不同速度时选取不同的容差：当转速低于额定转速的30％时，磁链调节模块与转矩调节模块分别选取系统参考值0.1％和0.01％作为容差；当转速高于额定转速的60％时，磁链调节模块与转矩调节模块分别选取系统参考值1％和0.1％作为容差；当转速位于额定转速的30％到60％范围内，磁链调节模块与转矩调节模块分别选取系统参考值0.5％和0.05％作为容差；所述磁链控制信号为0或者1，所述转矩控制信号为0、1或者2。

步骤5，计算转矩误差量与磁链误差量分别占其系统设定值的比例值，结合电机当前转速选取不同的系数对该两项比例值进行加权平均，计算得到有效电压矢量作用时间和在控制周期中的占空比，占空比范围为0到1；

所述结合电机当前转速选取不同的系数对该两项比例值进行加权平均，具体为：

当转速低于额定转速的30％时，选取转矩误差比例信息权值为1.5，磁链误差比例信息权值为1；当转速高于额定转速的60％时，选取转矩误差比例信息权值为10，磁链误差比例信息权值为1.5；当转速位于额定转速的30％到60％范围内，选取转矩误差比例信息权值为3，磁链误差比例信息权值为2。

所述计算转矩误差量与磁链误差量分别占其系统设定值的比例值，结合电机当前转速选取不同的系数对该两项比例值进行加权平均，计算得到有效电压矢量作用时间和在控制周期中的占空比，具体为：

步骤5.1，将所述定子磁链幅值与系统预设定子磁链幅值进行运算，得到所述定子磁链幅值相对于系统预设定子磁链幅值的磁链误差比例信息；

步骤5.2，将所述电磁转矩值与所述系统设定电磁转矩值进行运算，得到所述电磁转矩值相对于所述系统设定电磁转矩值的转矩误差比例信息；

步骤5.3，根据所述电机转速所处的不同范围，分别确定磁链误差比例信息和转矩误差比例信息的权值；

步骤5.4，计算所述磁链偏差比例信息和转矩偏差比例信息的加权平均值，得出电机转矩脉动最小条件下的占空比信息。

步骤6，将所述扇区号、磁链控制信号和转矩控制信号转发至电压矢量选择模块，得到当前系统所需基本电压矢量，并根据所述占空比值设置所需基本电压矢量的作用时间，施加给电机，控制电机运行。

综上所述，本发明不改变传统直接转矩控制系统整体结构简单性，只增加一个占空比计算模块，根据转矩和磁链的实时误差比例，确定有效电压矢量作用占空比，有效抑制转矩脉动且计算简便，实现难度小；磁链调节器与转矩调节器根据不同的转速范围选取不同的容差组合，充分考虑了不同的转速情况下磁链与转矩滞环容差对系统转矩脉动的影响，结合全转速定子磁链观测器，能够有效降低因容差选取的不科学而导致的转矩脉动过大；占空比计算模块对磁链误差比例信息和转矩误差比例信息进行加权平均，实时调整有效电压矢量作用时间，计算简便，能够同时对转矩和磁链进行准确调整；占空比计算模块根据当前电机转速所处范围，实时调整加权平均中的权值，充分考虑了不同转速下转矩误差比例信息和磁链误差信息对占空比计算不同的贡献度，能够提高对电机控制的准确性，加快系统响应的同时减小转矩和电流脉动。