具有零序电流自矫正的六相同步电机直接转矩控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有电流自矫正的六相同步电机直接转矩控制方法，首先基于零序电流等于0思想进行电压矢量重构，并由此提出理想DTC；其次，基于死区补偿原理对实际电压矢量作用时间进行离散补偿；最后，利用PI调节器对电压矢量作用时间进行连续补偿，实现零序电流等于0目的。本发明解决了转矩和磁链双滞环结构的六相对称绕组永磁电机DTC系统中消除低次谐波电流的难题。
【专利说明】具有零序电流自矫正的六相同步电机直接转矩控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多相永磁电机驱动控制领域，涉及一种六相永磁同步电机直接转矩控 制方法。
【背景技术】
[0002] 随着军舰及潜艇推进系统、宇航推进系统、电动/混合燃料汽车驱动、电力机车牵 引等关键领域对电动机驱动系统可靠性要求愈来愈高，传统的三相电动机驱动愈来愈难以 满足要求，高可靠性的多相电动机驱动系统日益受到这些领域的青睐和使用。常见的多相 电动机有感应电动机和永磁同步电动机之分，其中多相永磁同步电动机具有效率高、响应 速率快等优点，日益成为多相感应电动机的有力竞争者。
[0003] 机车牵引及船舶推进等系统要求应用于这些场合的多相电动机驱动系统具有强 的瞬时转矩控制能力，以获得高性能的动态特性。目前应用于多相电动机驱动系统中瞬时 转矩控制策略主要有：磁场定向的矢量控制和直接转矩控制。其中直接转矩控制策略直接 在定子静止坐标系中构建定子磁场及电磁转矩控制模型，对电机参数依赖很少，算法简洁； 利用逆变器输出电压矢量直接控制电磁转矩，具有电磁转矩直接而快速控制优点，特别适 用于转矩控制场合。
[0004] 本发明针对互差60度电角度的六相对称绕组永磁同步电动机提出一种新型直接 转矩控制策略。六相对称定子绕组采用星型连接，有5个自由度可以控制，采用直接转矩控 制策略已占用2个自由度，还剩余3个自由度需要控制。所以利用电压矢量实现电磁转矩和 定子磁链高性能的控制时，若剩余的3个自由度缺乏正确有效控制，会带来直接转矩控制 驱动系统稳态性能的下降，例如相电流低次谐波分量增大、损耗增大、负载能力降低等。本 发明控制策略旨在实现电磁转矩快速控制同时减小零序电流幅值，降低绕组电流中低次谐 波含量。
【发明内容】
[0005] 技术问题：本发明提供一种能够解决偏置60度六相对称绕组永磁同步电机低次 谐波电流消除问题，不需要另外添加硬件即可实现偏置60度六相对称绕组永磁同步电机 直接转矩控制，降低了驱动系统的硬件成本，在同等的电机发热条件下提高了有功电流幅 值和电机负载能力的具有零序电流自矫正的六相同步电机直接转矩控制方法。
[0006] 技术方案：本发明的具有零序电流自矫正的六相同步电机直接转矩控制方法，结 构框图如图1所示。本发明方法利用公式1中T6正交变换矩阵将六相电流ia?if变换为 α β坐标中isa is0及零序轴系中iszlisz2isz3i sz4 ;利用公式3、isa isfi、转子磁链Ψ?α 及 转子位置角吣计算出定子磁链vsa Vse或利用磁链观测器计算出定子磁链vsa Vse ;利 用公式4、isaise及Ψ3α 计算电磁转矩T e ;判断定子磁链Ψ3α Vsfi矢量所处图5α β 平面扇区编号Gi ;根据转矩给定<及电磁转矩?；，经过转矩滞环比较器输出控制转矩的τ 变量；根据定子磁链幅值给定<及实际定子磁链幅值I 1，经过磁链滞环比较器输出控制 定子磁链幅值的Φ变量；根据电磁转矩控制变量τ、定子磁链幅值控制变量φ及扇区编 号Θ i，经过最优开关矢量表2输出一组最优的六相逆变器开关组合；根据实际相电流采样 值込?、、零序电流isz4计算出各电压矢量作用时间，通过脉宽调制模块将各电压矢量按照 固定的时序和作用时间作用于电机，以实现零序电流误差、定子磁链幅值误差及电磁转矩 误差为〇控制。在采用全数字控制的驱动系统中，采用本发明不需要另外添加硬件，即可实 现偏置60度六相对称绕组永磁同步电机直接转矩控制，降低了驱动系统的硬件成本。
[0007] 本发明直接转矩控制策略，从消除零序电流、减小相绕组电流低次谐波出发，基于 矢量重构合成原理构建出最优开关矢量表2, 一个数字控制周期Ts内，各合成电压矢量中 第一电压矢量、第二电压矢量发送时序见图5 ;为了消除逆变器非线性特性对零序电流isz4 控制的不利影响，采用死区补偿及isz4PI闭环控制方法，实现电压矢量作用时间的动态调 节，以维持u z4平均值等于0控制效果。
[0008] 本发明方法包括以下步骤：
[0009] (1)利用公式1的六相正交变换矩阵T6，将a?f六相定子电流ia?i f变换为 α β坐标中α轴定子电流isa、0定子电流；^0及零序轴系中的第一零序电流iszl、第二零 序电流i sz2、第三零序电流isz3、第四零序电流iSZ4 :
【权利要求】
1. 一种具有零序电流自矫正的六相同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，该方法 包括以下步骤： (1) 利用公式1的六相正交变换矩阵T6，将a?f?六相定子电流ia?if变换为a @坐 标中a轴定子电流isa、0定子电流isfJ及零序轴系中的第一零序电流iszl、第二零序电流 isz2、第三零序电流isz3、第四零序电流isz4 :
其中，ia、ib、i。、id、L、if分别为a?f相电流； (2) 根据a轴定子电流isa、0定子电流isfJ、a轴转子磁链P轴转子磁链Vd 及转子位置角L，利用下列公式3计算出a轴定子磁链Vsa和P轴定子磁链Vse :
其中Lsm = 0. 5 (LdJLtim)，= 0. 5 (Ldm-Lqm)，Ldm为电机相绕组主磁路的直轴电感，Ltp为 电机相绕组主磁路的交轴电感； (3) 判断定子磁链Vsa Vse矢量在合成电压矢量图中所处a 0平面扇区编号0 i，i =1…6 ; (4) 根据定子磁链Vsa Vse及定子磁链幅值给定 <，经磁链滞环比较器，根据下式确 定并输出控制定子磁链幅值的变量小：
其中，当转速低于额定转速时，定子磁链幅值给定取额定定子磁链；当转速高于额 定转速时，Ws随转速升高成反比例降低； (5) 根据a P轴定子电流isaise及a P轴定子磁链Vsa Vse，利用下列公式4计算 电磁转矩Te : Te = Pn(vsaisfi-￥s{iisa)(公式 4) 其中Pn为电机磁极对数； (6) 将所述电磁转矩Te及其给定值.J；M专送给转矩滞环比较器，根据下式确定并输出控 制电磁转矩变量T :
其中％为转矩滞环环宽；若需要速度闭环，则速度控制器输出作为电磁转矩给定值 若需要转子位置闭环，则位置控制器输出作为电磁转矩给定值r:; (7) 根据所述控制电磁转矩变量T、控制定子磁链幅值的变量Cj5及定子磁链Vsa Vs0 矢量所处a 0平面扇区编号0i，查询下列最优开关矢量表，获得一组6相逆变桥最优开关 组合矢量，从而确定出用于重构该最优开关组合矢量的第一电压矢量和第二电压矢量； 最优开关矢量表
(8) 根据a?f六相定子电流ia?if、第四零序电流isz4，计算出步骤（7)确定的最优 开关组合矢量中第一电压矢量在半个数字控制周期〇. 5TS内的作用时间为Tz+A Tz，则该最 优开关组合矢量中第二电压矢量在半个数字控制周期内的作用时间为〇. 5TS-(TZ+ATZ);
Kp为比例系数，Ki为积分系数，均为大于0的常数；UD1、U D2、UD3分别为一个数字控制周 期Ts内逆变桥依次出现的三段死区期间第四零序电压Usz4值，Td为逆变桥每一段死区持续 时间，Uz为一个数字控制周期Ts内输出第一电压矢量时第四零序电压Usz4值； (9) 通过脉宽调制模块，按照一个控制周期Ts内依次输出第一电压矢量、第二电压矢 量、第一电压矢量的三段发矢量时序发矢量，将所述步骤（8)计算得到的两个矢量作用时 间作为脉宽调制模块各矢量作用时间，最终实现定子磁链轨迹圆形情况下，电磁转矩及零 序电流控制。
2.根据权利要求1所述的具有零序电流自矫正的六相同步电机直接转矩控制方法，其 特征在于，所述步骤（3)中的合成电压矢量图按照以下方法得到： 以逆变器输出幅值最长，且依次互差60度电角度的六个基本电压矢量49、56、28、 14、7、35为基础，将56、49两矢量分别作用一半的数字控制周期合成出新的合成电压矢量 56/49,将56、28两矢量分别作用一半的数字控制周期合成出新的合成电压矢量56/28,将 28、14两矢量分别作用一半的数字控制周期合成出新的合成电压矢量14/28,将14、7两矢 量分别作用一半的数字控制周期合成出新的合成电压矢量14/7,将7、35两矢量分别作用 一半的数字控制周期合成出新的合成电压矢量35/7,将35、49两矢量分别作用一半的数字 控制周期合成出新的合成电压矢量35/49。
3. 根据权利要求1或2所述的具有零序电流自矫正的六相同步电机直接转矩控制方 法，其特征在于，所述步骤（3)中的具体判断步骤如下： (3. 1)将合成电压矢量图中49、56、28、14、7、35六个矢量中相邻的两个矢量所夹60度 区域定义为一个扇区9 i，i = 1…6,每一个扇区的中心线刚好处于重构电压矢量上； (3. 2)提取定子磁链Vsa Vs0矢量幅角0 s
(3. 3)结合步骤（3. 1)和步骤（3. 2)的处理结果，判读确定定子磁链Vsa Vse矢量所 处a 0平面扇区编号0 it)
4. 根据权利要求1或2所述的具有零序电流自矫正的六相同步电机直接转矩控制方 法，其特征在于，所述步骤（8)中矢量作用时间获取步骤如下： (8. 1)根据以下方法确定逆变器三个死区时间Td每一段死区期间开关组合Saz?Sfz : 死区插入之前发出的矢量开关组合为Sal?Sfl，死区插入之后发出的矢量开关组合为S a2? Sf2,若 Sil = Si2,则 Siz = Sil,若 Sil 尹 Si2,且六相定子电流 ii> = 0,则 Siz = 0 ;若 Sil 尹 Si2, 且iZO,贝U Siz = 1,其中下标i = a?f ; (8. 2)根据下式计算出每一个死区期间第四零序电压Usz4值UDj，j = 1、2、3 :
(8. 3)根据下式计算步骤（7)中确定的一个数字控制周期Ts内输出第一电压矢量时第 四零序电压Usz4值Uz :
同时通过PI方法，根据下式计算得到ATz = -Kpisz4-Ki / isz4dt; (8.5)计算出步骤（7)确定的最优开关组合矢量中第一电压矢量在半个数字控制周期 〇. 5TS内的作用时间为Tz+A Tz，以及第二电压矢量在半个数字控制周期0. 5TS内的作用时间 为 0.5TS-(TZ+ATZ)。
【文档编号】H02P21/13GK104333284SQ201410610713
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】周扬忠, 程明 申请人:东南大学