一种基于开关表的直接转矩控制方法与流程

本发明涉及电机控制技术领域，尤其是一种基于开关表的直接转矩控制方法。

背景技术：

直接转矩控制(directtorquecontrol，dtc)变频调速，是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。直接转矩控制(dtc)技术是一种结构简单、参数依赖少、转矩响应快的控制方式。

20世纪80年代中期，德国鲁尔大学的m.depenbrock教授和日本的i.takahashi教授分别提出了六边形直接转矩控制方案和圆形直接转矩控制方案。

传统的直接转矩控制采用开关表来选择施加于电机的电压矢量，由于定子磁链旋转运动由定子电压矢量直接控制，在静止坐标中就可以实现直接转矩控制，转矩响应快，对电机参数变化的鲁棒性高，但电机在低速运行时，直接转矩控制性能明显下降，转矩纹波较大，定子磁链纹波和定子电流总谐波失真，且开关频率不固定。同时，dtc利用单空间、单参数(定子电阻)和单时间尺度实现了转矩与磁链的解耦控制，受限于磁链近似恒定的假设。另外，传统开关表模式直接转矩控制由于扇区判断不能有效避开三角函数运算和除法运算，执行过程耗时较多，不利于整个算法的实时性。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于开关表的直接转矩控制方法。提出了无功转矩η的概念，借鉴电力电子化电力系统幅相动力学的思想，通过标准化转矩τ和无功转矩η完整描述转矩和磁链动力学特性，标准化转矩τ相应于有功功率，无功转矩η相应于无功功率，两者具有相同的时间尺度和量纲。将慢时间尺度的转速和磁链调节器置于外环pi控制，将传统dtc开关表中的转矩调节信号和定子磁链调节信号用快时间尺度的标准化转矩调节信号和无功转矩调节信号代替，在定子磁链六个分区内施加相应的电压矢量，可实现对转矩和无功转矩的直接控制，实现了多时间尺度分层控制以及磁链和转矩的解耦控制。

本发明的技术方案为：一种基于开关表的直接转矩控制方法，包括以下步骤：

s1)、信号采集，实时采集变流器直流侧电压udc、异步电机三相定子电流isa(k)、isb(k)、isc(k)和转速ω(k)；

s2)、根据变流器驱动信号sa、sb、sc和变流器直流侧电压udc，计算异步电机的三相定子电压usa(k)、usb(k)、usc(k)，计算公式如下：

s3)、通过clark变化得到αβ坐标系下的电压和电流，计算公式如下：

s4)、定子磁链观测，根据αβ坐标系下的定子电流、电压以及定子电阻，通过电压模型观测αβ坐标系下定子磁链，通过机端电压估算出机端虚拟磁链；

s5)、标准化转矩和无功转矩观测，标准化转矩τ通过定子电流与定子磁链的叉积计算，并将系数归一化处理；

无功转矩η定义为无功功率与角频率之比，通过定子电流与机端虚拟磁链的点积计算；

s6)、转速和定子磁链pi控制，将转速ω与给定转速ω^*做差后通过pi调节器输出得到标准化转矩参考值τ^*，将给定定子磁链和定子磁链观测值做差后通过pi调节器得到无功转矩参考值η^*；

s7)、标准化转矩和无功转矩调节，将pi控制器输出的标准化转矩参考值τ^*和无功转矩参考值η^*分别与标准化转矩τ和无功转矩η的观测值做差得到误差信息△τ和△η，根据误差信息△τ和△η分别得到标准化转矩调节信号τq和无功转矩调节信号ηq；

s8)、扇区划分，将扇区分为6个区域，根据定子磁链的αβ分量ψsα、ψsβ及其空间矢量角度确定其所在扇区；

s9)、开关表选择，根据标准化转矩调节信号τq、无功转矩调节信号ηq和扇区信息，总共有36种不同的开关状态可以选择；

s10)、将所选的开关驱动信号sa、sb、sc驱动逆变器开关管，实现逆变器对电机的控制。

优选的，上述方法中，步骤s1)中，使用电压传感器获取变流器直流侧电压值udc，使用电流传感器实时采集感应电动机端点处abc三相电流测量值isa(k)、isb(k)、isc(k)；并使用编码器获得异步电机转速ω(k)。

优选的，上述方法中，步骤s4)中，所述定子磁链观测具体如下：

式中，rs为定子电阻，ψsα、ψsβ分别为定子磁链在αβ坐标系的分量；根据定子磁链矢量求出其幅值和定向角度，计算公式为：

机端虚拟磁链计算公式为：

其中，ψvα、ψvβ为虚拟磁链矢量在αβ坐标系的分量，j为虚数符号。

优选的，上述方法中，步骤s5)中，标准化转矩τ和无功转矩η计算公式为：

式中，ψsα、ψsβ分别为定子磁链矢量、定子磁链在αβ坐标系的分量，ψvα、ψvβ分别为虚拟磁链矢量、虚拟磁链在αβ坐标系的分量，isβ、isα分别为定子电流矢量、定子电流在αβ坐标系的分量；

优选的，上述方法中，步骤s7)中，所述标准化转矩调节信号τq和无功转矩调节信号ηq的计算式如下：

△τ＝τ^*-τ；

△η＝η^*-η；

式中，τ^*为标准化转矩参考值、η^*为无功转矩参考值，τ为标准化转矩，η为无功转矩，△τ和△η分别为标准化转矩和无功转矩参考值与观测值的误差，ετ为标准化转矩容差限，εη为无功转矩容差限。

优选的，上述方法中，步骤s8)中，6个所述的扇区区域划分如下：

若ψsα≥0，

任意ψsβ，则为扇区1；

则为扇区2；

则为扇区6；

若ψsα<0，

任意ψsβ，则为扇区4；

则为扇区3；

则为扇区5。

优选的，上述方法中，步骤s9)中，所述的开关表如下：

本发明的有益效果为：

1、本发明提出一种新的状态变量，即无功转矩，其相应于电磁转矩沿磁通方向(径向)的无功作用分量，对应着无功功率，是转矩的对偶量，标准化转矩(即电磁转矩系数归一化后所得的量)和无功转矩具有相同的时间尺度和量纲，通过标准化转矩和无功转矩可以完整描述转矩和磁链的动力学特性；

2、本发明将慢变的转速和磁链调节器置于外环pi控制，将传统dtc开关表中的转矩调节信号和定子磁链调节信号用具有相同时间尺度的标准化转矩调节信号和无功转矩调节信号代替，在定子磁链六个分区内施加相应的电压矢量，可实现对转矩和无功转矩的直接控制，从而实现磁链和转矩的解耦控制。

附图说明

图1为本发明控制方法的流程图。

图2本发明的控制方法的结构框架图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1和图2所示，一种基于开关表的直接转矩控制方法，本发明提出了无功转矩η的概念，借鉴电力电子化电力系统幅相动力学的思想，通过标准化转矩τ和无功转矩η完整描述转矩和磁链动力学特性，标准化转矩τ相应于有功功率，无功转矩η相应于无功功率，两者具有相同的时间尺度和量纲。将慢时间尺度的转速和磁链调节器置于外环pi控制，将传统dtc开关表中的转矩调节信号和定子磁链调节信号用快时间尺度的标准化转矩调节信号和无功转矩调节信号代替，在定子磁链六个分区内施加相应的电压矢量，可实现对转矩和无功转矩的直接控制，实现了多时间尺度分层控制以及磁链和转矩的解耦控制。

具体包括以下步骤：

s1)、信号采集，实时采集变流器直流侧电压udc、异步电机三相定子电流isa(k)、isb(k)、isc(k)和转速ω(k)。

其中，使用电压传感器获取变流器直流侧电压值udc，使用电流传感器实时采集感应电动机端点处abc三相电流测量值isa(k)、isb(k)、isc(k)；并使用编码器获得异步电机转速ω(k)。

s2)、根据变流器驱动信号sa、sb、sc和变流器直流侧电压udc，计算异步电机的三相定子电压usa(k)、usb(k)、usc(k)，计算公式如下：

s3)、通过clark变化得到αβ坐标系下的电压和电流，计算公式如下：

s4)、定子磁链观测，根据αβ坐标系下的定子电流、电压以及定子电阻，通过电压模型观测αβ坐标系下定子磁链，通过机端电压估算出机端虚拟磁链；

所述定子磁链观测具体如下：

式中，rs为定子电阻，ψsα、ψsβ分别为定子磁链在αβ坐标系的分量；

根据定子磁链矢量求出其幅值和定向角度，计算公式为：

机端虚拟磁链计算公式为：

其中，ψvα、ψvβ为虚拟磁链矢量在αβ坐标系的分量，j为虚数符号。

s5)、标准化转矩和无功转矩观测，标准化转矩τ通过定子电流与定子磁链的叉积计算，并将系数归一化处理；

无功转矩η定义为无功功率与角频率之比，通过定子电流与机端虚拟磁链的点积计算；

上述的标准化转矩τ和无功转矩η计算公式为：

式中，ψsα、ψsβ分别为定子磁链矢量、定子磁链在αβ坐标系的分量，ψvα、ψvβ分别为虚拟磁链矢量、虚拟磁链在αβ坐标系的分量，isβ、isα分别为定子电流矢量、定子电流在αβ坐标系的分量。

s6)、转速和定子磁链pi控制，将转速ω与给定转速ω^*做差后通过pi调节器输出得到标准化转矩参考值τ^*，将给定定子磁链和定子磁链观测值做差后通过pi调节器得到无功转矩参考值η^*；

s7)、标准化转矩和无功转矩调节，将pi控制器输出的标准化转矩参考值τ^*和无功转矩参考值η^*分别与标准化转矩τ和无功转矩η的观测值做差得到误差信息△τ和△η，根据误差信息△τ和△η分别得到标准化转矩调节信号τq和无功转矩调节信号ηq；

其中，所述标准化转矩调节信号τq和无功转矩调节信号ηq的计算式如下：

△τ＝τ^*-τ；

△η＝η^*-η；

式中，τ^*为标准化转矩参考值、η^*为无功转矩参考值，τ为标准化转矩，η为无功转矩，△τ和△η分别为标准化转矩和无功转矩参考值与观测值的误差，ετ为标准化转矩容差限，εη为无功转矩容差限。

s8)、扇区划分，将扇区分为6个区域，根据定子磁链的αβ分量ψsα、ψsβ及其空间矢量角度确定其所在扇区；其中，6个所述的扇区区域划分如下：

若ψsα≥0，

任意ψsβ，则为扇区1；

则为扇区2；

则为扇区6；

若ψsα<0，

任意ψsβ，则为扇区4；

则为扇区3；

则为扇区5。

s9)、开关表选择，根据标准化转矩调节信号τq、无功转矩调节信号ηq和扇区信息选择相应的快关，总共有36种不同的开关状态可以选择；具体如表1所示：

表1开关表

s10)、将所选的开关驱动信号sa、sb、sc驱动逆变器开关管，实现逆变器对电机的控制。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。