本发明属于电机控制
技术领域：
，具体涉及一种六相电机直接转矩控制系统及其控制方法。
背景技术：
：多相电机驱动技术是目前电机控制领域研究的热点。多相电机驱动与传统的三相电机相比，具有很多优势：收到供电系统的限制，多相电机驱动系统是解决低压大功率的有效途径；当多相电机一相或几相发生故障的时候，直接断开故障绕组，电机仍然可以运行，自身具有较好的绕组故障容错运行能力；多相电机输出转矩脉动小，脉动频率增加，因此系统的低速特性得到改善，振动和噪声大大减小。多相电机驱动较多的应用于电动汽车、船舶、航空航天、军事等领域。直接转矩控制技术(dtc)作为一种新型变频调速技术受到了人们的广泛关注。与传统矢量控制技术相比，直接转矩控制的控制效果仅仅与电机转矩的实际状况有关系，不需要进行复杂的坐标变换，将交流电动机与直流电动机进行比较、等效、转化。同时，也不需要为解耦而简化电机的数学模型。由于不需要通常的pwm脉宽调制信号发生器，其控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调。该技术具有明显的优点，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。在目前一些专利和文献中已经对于六相双y绕组电机直接转矩控制做了较多的研究工作。但是主要的研究思路需要在六相坐标系下进行电机的建模和控制的实现。另外，六相双y绕组电机直接转矩控制系统里面，由于六相逆变器可以生成较多的六维电压矢量。这对于直接转矩控制的矢量表提出的更高的要求和更复杂的实现方式。这些方法和技术都具有较高的复杂度，不易于该技术的实际应用与推广。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种六相电机直接转矩控制系统及其控制方法，简化计算步骤，降低计算难度，实现高精度、快响应的控制。本发明采用以下技术方案：一种六相电机直接转矩控制系统，包括六桥臂逆变器、六相双y绕组电机和直接转矩控制系统，直接转矩控制系统分别与六桥臂逆变器和六相双y绕组电机连接，六桥臂逆变器的六个桥臂中点分别对应连接六相双y绕组电机的六相绕组终端，六桥臂逆变器中的每个逆变器桥臂均由两个功率开关管串联而成，每个逆变器桥臂上两个功率开关管的连接点为对应桥臂的中点，串联后的功率开关管两端分别连接直流电源的正极和负极，六桥臂逆变器中的前三个逆变器桥臂组成逆变器i，后三个逆变器桥臂组成逆变器ii，直接转矩控制系统通过获取逆变器i和逆变器ii的开关触发信号实现对六相双y绕组电机的直接转矩控制。具体的，六桥臂逆变器包括第一逆变器桥臂l1、第二逆变器桥臂l2、第三逆变器桥臂l3、第四逆变器桥臂l4、第五逆变器桥臂l5及第六逆变器桥臂l6，第一逆变器桥臂l1由第一功率开关管t1和第二功率开关管t2组成；第二逆变器桥臂l2由第三功率开关管t3和第四功率开关管t4组成；第三逆变器桥臂l3由第五功率开关管t5和第六功率开关管t6组成；第四逆变器桥臂l4由第七功率开关管t7和第八功率开关管t8组成；第五逆变器桥臂l5由第九功率开关管t9和第十功率开关管t10组成，第六逆变器桥臂l6由第示意功率开关管t11和第十二功率开关管t12组成；第一功率开关管t1、第二功率开关管t2、第三功率开关管t3、第四功率开关管t4、第五功率开关管t5、第六功率开关管t6、第七功率开关管t7、第八功率开关管t8、第九功率开关管t9、第十功率开关管t10、第十一功率开关管t11和第十二功功率开关管t12均采用igbt或mosfet功率器件。具体的，直接转矩控制系统包括转速调节器、转矩和磁链计算单元、滞环调节器和开关矢量表，六相双y绕组电机的两套三相绕组与六桥臂逆变器连接，将两套三相绕组按照两个独立电机的形式进行同时直接转矩控制，使用转速调节器生成参考转矩信号t*，该信号同时提供给两套直接转矩控制方案中，采用滞环控制方式对参考转矩t*和计算转矩t1,t2的偏差et1,et2、给定的参考磁链φ1,φ2和计算的定子磁链φα1,φβ1，φα2,φβ2的偏差进行调节控制；滞环调节器的输出值h1,h2、h3,h4和两个转矩和磁链计算单元计算的磁链矢量扇区号n1,n2分别输入到两个开关矢量表，通过查询两个开关矢量表的方式确定最终的逆变器开关控制信号vk,v'k，通过两个开关矢量表获取逆变器i和逆变器ii的开关触发信号实现六相双y绕组电机的直接转矩控制。进一步的，六相双y绕组电机包括a、b、c绕组和d、e、f绕组，每套三相绕组的三相互差120度电角度，两套三相套组偏移30度电角度，a、b、c绕组和d、e、f绕组各有一个公共点o和o’。进一步的，六相双y绕组电机采用具有不对称绕组结构的六相交流异步电机、六相永磁同步电机或六相永磁无刷直流电机。一种六相电机直接转矩控制系统的直接转矩控制方法，针对两套绕组采用双直接转矩合成控制方式，将一台六相双y型绕组电机按照两台y型绕组电机分别进行直接转矩控制，在系统中，给定转矩磁链与实际转矩磁链经过滞环调节器模块后得到的滞环调节器输出值，再利用开关状态选择表并从中获取逆变器的功率开关触发信号，生成统一的逆变器开关电压矢量，实现六相双y绕组电机的整体和独立控制。具体的，包括以下步骤：s1、六相双y绕组电机的给定转速ω*与实际转速ω经过速度调节模块后得到速度误差eω，速度误差eω经电流pi调节器后输出给定电流i*如下：i*＝kpeω+ki∫eωdt其中，kp为比例常值系数，ki为积分常值系数；s2、利于给定电流i*计算得到给定转矩t*如下：t*＝kei*其中，ke为常值系数；s3、利用电流传感器检测六相双y绕组电机的六相定子绕组相电流iabcdef和六相定子绕组相电压vabcdef计算两相静止坐标系下的电流iα1,iβ1，iα2,iβ2和电压vα1,vβ1，vα2,vβ2；s4、计算电机定子磁链φα1,φβ1，φα2,φβ2、磁链幅值φ1,φ2、磁链角θ1,θ2和电磁转矩t1,t2；s5、根据给定的常值磁链幅值φ*和磁链幅值φ1,φ2计算磁链偏差送入两个磁链滞环控制器，可以得到滞环控制器输出值h1,h2；s6、由之前计算得到的给定转矩t*和计算得到的t1,t2计算转矩偏差et1,et2，送入两个转矩滞环控制器，可以得到滞环控制器输出值h3,h4；s7、根据计算的磁链角θ1,θ2查询磁链扇区所在扇区查询表得到定子磁链矢量所在的扇区号n1,n2；s8、根据步骤s7计算的定子磁链矢量所在的扇区号n1,n2和步骤s5、s6计算的滞环控制器输出值h1,h2，h3,h4查询开关选择表i和开关选择表ii得到驱动逆变器i和ii功率开关需要的电压矢量vk,v'k，k＝1,2,3,4,5,6，利用开关选择表i和开关选择表ii生成两组电压矢量对应的逆变器开关通断状态同时输入至六桥臂逆变器实现对六相双y绕组电机的控制。进一步的，步骤s3中电流iα1,iβ1，iα2,iβ2和电压vα1,vβ1，vα2,vβ2计算如下：其中，x＝i或v。进一步的，步骤s4中，电机定子磁链φα1,φβ1，φα2,φβ2、磁链幅值φ1,φ2、磁链角θ1,θ2和电磁转矩t1,t2计算如下：t1＝1.5p[φα1iβ1-φα1iβ1]t2＝1.5p[φα2iβ2-φα2iβ2]其中，rs为电机绕组等效电阻，p为电机极对数。进一步的，步骤s5和s6中，滞环控制器输出值h1,h2计算如下：其中，δ1,δ2分别为两个磁链滞环控制器的设定容差常数值；滞环控制器输出值h3,h4计算如下：其中，δ3,δ4分别为两个转矩滞环控制器的设定容差常数值。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明一种六相电机驱动系统，六桥臂逆变器的六个桥臂中点分别对应连接六相永磁电机的六相绕组终端，每个逆变器桥臂均由两个功率开关管串联而成，连接点为对应桥臂的中点，串联后的功率开关管两端分别连接直流电源的正负极，采用直接转矩控制技术，依量测到的电机电压及电流，去计算电机磁通和转矩的估测值，而在控制转矩后，也可以控制电机的速度。进一步的，mosfet和igbt分别在低压应用和高压应用领域具有独特的优势。对于低压小功率应用领域，mosfet功率器件工作性能优异，其开关速度快，电流导通压降低，损耗小。对于高压大功率应用领域，igbt具有优异的共组性能，开关速度高，通态压降低，开关损耗小，耐脉冲电流冲击力强，且耐压高，驱动功率小等优点。进一步的，本发明采用的六相电机控制电路及其控制方法比较适用于高压大功率电机应用领域，由于永磁同步电机和无刷直流电机的转子采用了独特的结构，即在转子上放有高质量的永磁体磁极。因此，本身的功率效率高以及功率因数高，允许的过载电流大，可靠性显著提高。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠，价格便宜、过载能力强，但功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差，能广泛应用于工农业生产和船舶、航天、航空等高科技领域。进一步的，直接转矩控制系统包括转速调节器、转矩和磁链计算单元、滞环调节器和开关矢量表，将两套三相绕组按照两个独立电机的形式进行同时直接转矩控制，使用转速调节器生成参考转矩信号，该信号同时提供给两套直接转矩控制方案中，采用滞环控制方式对参考转矩和计算转矩的偏差、给定的参考磁链和计算的定子磁链的偏差进行调节控制；滞环调节器的输出值和两个转矩和磁链计算单元计算的磁链矢量扇区号分别输入到两个开关矢量表，通过查询两个开关矢量表的方式确定最终的逆变器开关控制信号，通过两个开关矢量表获取两个电机逆变器的开关触发信号实现六相双y绕组电机的直接转矩控制，系统的控制精度提升、响应速度加快，实现了对六相电机高精准、快响应的控制，适用于所有的六相逆变器六相电机系统。本申请提出了一种六相电机直接转矩控制系统的直接转矩控制方法，将一台六相双y型绕组电机按照两台y型绕组电机分别进行直接转矩控制，最后生成统一的逆变器开关电压矢量，实现六相双y型绕组电机的整体和独立控制效果，计算过程简单，实现方便，具有明显的应用价值和优势。进一步的，继承了三相直接转矩控制方法所具有的结构简单、鲁棒性强等优点，简化了传统六相电机需要进行六维矢量解耦的复杂计算难度，仅仅对传统的直接转矩控制方法稍加调制改进就可以实现六相电机的有效控制。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本发明六相逆变器六相电机系统结构示意图；图2为传统六相逆变器驱动六相电机的12个电压矢量空间分布图；图3为本发明简化后的第一套绕组6个电压矢量空间分布图；图4为本发明简化后的第二套绕组6个电压矢量空间分布图；图5为本发明六相逆变器六相电机系统的直接转矩控制电路图。具体实施方式在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。请参阅图1，本发明提供了一种六相电机驱动系统，包括第一逆变器桥臂l1、第二逆变器桥臂l2、第三逆变器桥臂l3、第四逆变器桥臂l4、第五逆变器桥臂l5及第六逆变器桥臂l6构成的六桥臂逆变器，六桥臂逆变器连接六相永磁电机m；第一逆变器桥臂l1的中点a、第二逆变器桥臂l2的中点b、第三逆变器桥臂l3的中点c、第四逆变器桥臂l4的中点d、第五逆变器桥臂l5的中点e以及第六逆变器桥臂l6的中点f分别对应连接六相永磁电机的a相绕组终端，b相绕组终端，c相绕组终端，d相绕组终端，e相绕组终端，f相绕组终端。每个逆变器桥臂均由两个功率开关管串联而成，连接点为桥臂中点，串联后的功率开关两边分别连接点直流电源的正负极，第一逆变器桥臂l1、第二逆变器桥臂l2和第三逆变器桥臂l3组成逆变器i；第四逆变器桥臂l4、第五逆变器桥臂l5和第六逆变器桥臂l6组成逆变器ii。第一逆变器桥臂l1由第一功率开关管t1和第二功率开关管t2组成；第二逆变器桥臂l2由第三功率开关管t3和第四功率开关管t4组成；第三逆变器桥臂l3由第五功率开关管t5和第六功率开关管t6组成；第四逆变器桥臂l4由第七功率开关管t7和第八功率开关管t8组成；第五逆变器桥臂l5由第九功率开关管t9和第十功率开关管t10组成，第六逆变器桥臂l6由第示意功率开关管t11和第十二功率开关管t12组成，且第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、十一、十二功率开关管t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7，t8，t9，t10，t11，t12均采用igbt或mosfet功率器件。六相电机采用具有不对称绕组结构的六相交流异步电机、六相永磁同步电机或者六相永磁无刷直流电机。六相电机有两套三相y型绕组，分别为a、b、c绕组和d、e、f绕组，每套三相绕组的三相互差120度电角度，两套三相套组偏移30度电角度。a、b、c绕组和d、e、f绕组各有一个公共点o和o’。请参阅图2，传统六相逆变器驱动六相电机可以生成64个常规的控制电压矢量，其中具有最大幅值的12个电压矢量可以作为直接转矩控制中使用的矢量。它们分别是(100100)，110100)，(110110)，(010110)，(010010)，(011010)，(011011)，(001011)，(001001)，(101001)，(101101)，(100101)。12个矢量在空间分布里互差30度电角度且幅值相等。其中，括号里面的六位数字代表六个逆变器桥臂的开关状态，1代表所在的桥臂的上开关管导通，下开关管断开；0代表所在的桥臂的上开关管断开，下开关管导通。请参阅图3和图4，为了简化传统的六相逆变器六相电机直接转矩控制系统的复杂度，提高系统响应速度。将原有的12个六维电压矢量分解为两组6个三位电压矢量，每组的6个矢量在空间分布互差60度电角度且幅值相等，两组矢量在二维静止坐标系空间分布有30度电角度的相位差。第一组的6个矢量分别是v1-(100)、v2-(110)、v3-(010)、v4-(011)、v5-(001)、v6-(101)，其中，矢量符号后面的括号里面的3位数字代表第一逆变器桥臂、第二逆变器桥臂和第三逆变器桥臂的开关状态，其中，1代表所在的桥臂的上开关管导通，下开关管断开；0代表所在的桥臂的上开关管断开，下开关管导通。6个矢量把空间划分为6个扇区：1、2、3、4、5、6，每个扇区为60度电角度；第二组的6个矢量分别是v1’-(100)、v2’-(110)、v3’-(010)、v4’-(011)、v5’-(001)、v6’-(101)，其中，括号里面的3位数字代表第四逆变器桥臂、第五逆变器桥臂和第六逆变器桥臂的开关状态。其中，1代表所在的桥臂的上开关管导通，下开关管断开；0代表所在的桥臂的上开关管断开，下开关管导通。6个矢量把空间划分为6个扇区：1、2、3、4、5、6，每个扇区为60度电角度。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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。本发明采用直接转矩控制技术directtorquecontrol，简称dtc，这种控制技术的实质是一种变频器控制三相电机转矩控制的方式，其作法是依量测到的电机电压及电流，去计算电机磁通和转矩的估测值，而在控制转矩后，也可以控制电机的速度。请参阅图5，本发明一种六相逆变器六相电机驱动系统的直接转矩控制电路，包括一个转速调节器、两个转矩和磁链计算单元、两个滞环调节器、两个开关矢量表、一个六相电压源型逆变器和一个六相双y绕组电机。将一个六相电机的两套三相绕组按照两个独立电机的形式进行同时直接转矩控制。仅使用一个转速调节器生成参考转矩信号t*，该信号同时提供给两套直接转矩控制方案中，采用滞环控制方式对参考转矩t*和计算转矩t1,t2的偏差et1,et2、给定的参考磁链φ1,φ2和计算的定子磁链φα1,φβ1，φα2,φβ2的偏差进行调节控制；滞环调节器的输出值h1,h2、h3,h4和计算的磁链矢量扇区号n1,n2分别输入到开关选择表i和开关选择表ii，最终的逆变器开关控制信号vk,v'k将利用查询开关表的方式完成，通过开关选择表可以获取两个电机逆变器的开关触发信号实现六相电机的直接转矩控制。其中，利用检测的电机六相定子电流iabcdef和电压vabcdef，计算的转矩t1,t2、计算的磁链φ1,φ2和计算的磁链矢量位置角n1,n2都将由磁链和转矩计算单元得到；计算的磁链矢量扇区号n1,n2根据计算的磁链矢量位置角查表得到。针对两套绕组采用双直接转矩合成控制方式，在系统中，给定转矩磁链与实际转矩磁链经过滞环调节器模块后得到的滞环调节器输出值，再利用开关状态选择表并从中获取逆变器的功率开关触发信号。本发明继承了三相直接转矩控制方法具有的结构简单、鲁棒性强等优点，优化后的直接转矩控制方法使控制精度提升、响应速度加快，降低了六相电机传统的直接转矩控制系统实现复杂度，实现了对六相电机高精准、快响应的控制，适用于各种六相逆变器六相电机系统。本发明一种六相电机驱动系统的直接转矩控制方法，包括以下步骤：s1、六相电机的给定转速ω*与实际转速ω经过速度调节模块后得到速度误差eω，速度误差eω经电流pi调节器后输出给定电流i*如下i*＝kpeω+ki∫eωdt其中，kp为比例常值系数，ki为积分常值系数。s2、利于给定电流i*计算得到给定转矩t*如下：t*＝kei*其中，ke为常值系数。s3、利用电流传感器检测六相永磁电机的六相定子绕组相电流iabcdef和六相定子绕组相电压vabcdef计算两相静止坐标系下的电流iα1,iβ1，iα2,iβ2和电压vα1,vβ1，vα2,vβ2如下：其中，x＝i或v。s4、计算电机定子磁链φα1,φβ1，φα2,φβ2、磁链幅值φ1,φ2、磁链角θ1,θ2和电磁转矩t1,t2如下：t1＝1.5p[φα1iβ1-φα1iβ1]t2＝1.5p[φα2iβ2-φα2iβ2]其中，rs为电机绕组等效电阻，p为电机极对数。s5、根据给定的常值磁链幅值φ*和磁链幅值φ1,φ2计算磁链偏差送入两个磁链滞环控制器，可以得到滞环控制器输出值h1,h2如下：其中，δ1,δ2分别为两个磁链滞环控制器的设定容差常数值。s6、由之前计算得到的给定转矩t*和计算得到的t1,t2计算转矩偏差et1,et2，送入两个转矩滞环控制器，可以得到滞环控制器输出值h3,h4如下：其中，δ3,δ4分别为两个转矩滞环控制器的设定容差常数值。s7、根据计算的磁链角θ1,θ2查表得到定子磁链矢量所在的扇区号n1,n2；表1为磁链扇区所在扇区查询表n1(n2)123456θ1[-π/6，π/6)[π/6,π/2)[π/2,5π/6)[5π/6,-5π/6)[-5π/6，-π/2)[-π/2，-π/6)θ2[0，π/3)[π/3,2π/3)[2π/3,π)[π,-2π/3)[-2π/3，-π/3)[-π/3，0)s8、根据计算的定子磁链矢量所在的扇区号n1,n2和滞环控制器输出值h1,h2，h3,h4查表得到驱动逆变器i和ii功率开关需要的电压矢量vk,v'k，k＝1,2,3,4,5,6。表2为开关选择表i表3为开关选择表ii利用两个开关选择表生成两组电压矢量对应的逆变器开关通断状态同时输入至六桥臂逆变器去控制六相双y绕组电机。按照以上步骤，通过计算的扇区号n1,n2和滞环控制器输出值h1,h2，h3,h4，再利用两个开关选择表可以生成两个电压矢量vk,v'k。根据所得到的这两个电压矢量可以确定逆变器对应的十二个功率开关的通断状态，因此，逆变器可以有效控制六相双y绕组电机正常工作。本申请提出了一种新的六相双y绕组电机直接转矩控制方法，将一台六相双y型绕组电机按照两台y型绕组电机分别进行直接转矩控制，最后生成统一的逆变器开关电压矢量，实现六相双y型绕组电机的整体和独立控制效果，对比已有的六相双y绕组电机直接转矩控制方法，本方法计算过程简单，实现方便，具有明显的应用价值和优势。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。当前第1页12