基于转速调节占空比的异步电机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，特别是一种基于转速调节占空比的异步电机直接转矩控制系统及方法。

背景技术：

异步电机的直接转矩控制技术摒弃了矢量控制中解耦的思想，其基本思想是实时采样定子三相电压与电流，通过计算得出定子磁链和电磁转矩的误差以及定子磁链的位置，采用滞环比较器和电压矢量选择表，生成合适的电压矢量施加到异步电机，最终实现对电磁转矩的直接控制。该技术具有结构简单、对电机参数依赖程度小的优点，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，如采用空间矢量调制技术、模糊逻辑自适应方法获取占空比、在一个周期使转矩平均值逼近参考转矩的方法，但这些方法的算法较复杂，依赖多项电机参数。李政学提出基于转矩误差和磁链误差的简单占空比确定方法减少转矩脉动，但是未考虑电机转速的影响，导致转矩的稳态误差较大，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能够简化占空比计算方法、提高电机转矩性能的基于转速调节占空比的异步电机直接转矩控制系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于转速调节占空比的异步电机直接转矩控制系统，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：

所述电机状态观测模块，通过采集电机运行过程中电机的输出轴转速、定子绕组瞬时相电压和相电流，计算出电机当前的电磁转矩、定子磁链幅值以及定子磁链所处扇区信息；

所述电压矢量生成模块，根据电机状态观测模块得到的电机状态信息，结合转速调节器的输出和系统设定的定子磁链幅值，计算出定子磁链幅值的偏移和电磁转矩的偏移，经过转矩控制器和磁链控制器生成控制信号送入电压矢量选择表，结合定子磁链所处扇区选择电压矢量，并根据占空比信息确定所选电压矢量的作用时间；

所述电机控制模块，根据选择的电压矢量及占空比信息生成驱动信号，提供电机所需的电压矢量，实现对电机的直接转矩控制。

进一步地，所述电机状态观测模块，包括转速观测器、磁链观测器、扇区判断模块和转矩观测器，其中：

所述转速观测器，通过传感器获取电机输出轴的实时转速；

所述磁链观测器，根据采集到的定子绕组瞬时相电压、相电流以及电机的转速信息，选取相应的磁链计算模型计算出定子磁链幅值：当电机转速低于额定转速的25％时，选用i-ω模型；当电机转速高于额定转速的35％时，选用u-i模型；当电机转速度处于额定转速的25％到35％时，根据当前转速与30％额定转速的差值对两种模型的磁链观测结果进行加权平均作为当前的磁链观测结果；

所述扇区判断模块，根据计算出的定子磁链幅值在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α-β坐标轴上的-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，依次编号为1、2、3、4、5、6；

所述转矩观测器，根据电机定子磁链与电流计算当前电磁转矩值。

进一步地，所述电压矢量生成模块，包括转速调节器、转矩控制器、磁链控制器、电压矢量选择表和占空比计算模块，其中：

所述转速调节器，将电机实际转速值与预设转速值的误差进行比例积分调节，得出给定转矩值；

所述转矩控制器，将计算出的电磁转矩值和给定转矩值作差，然后将误差信号送入滞环比较器生成转矩控制信号；滞环比较器的容差根据电机转速选取：当电机转速低于额定转速的30％时，选取给定参考转矩值的0.1％作为滞环比较器的容差；当电机转速高于额定转速的60％时，选取给定参考转矩值的1％作为滞环比较器的容差；当电机转速位于额定转速的30％到60％范围内，选取给定参考转矩值的0.5％作为滞环比较器的容差；所述转矩控制信号为-1、0、1，当误差信号小于负容差或者处于负容差与零之间且处于上升趋势时输出-1，当误差信号大于正容差或者处于正容差与零之间且处于下降趋势时输出1，其他情况输出0；

所述磁链控制器，将系统预设的定子磁链幅值和磁链观测器计算出的磁链幅值的误差送入滞环比较器生成磁链控制信号；选取系统给定磁链幅值的1％作为滞环容差，当磁链误差值超过容差上限或者在正负容差范围内且处于下降趋势时，滞环比较器输出1；当磁链误差值超过容差下限或者在正负容差范围内且处于上升趋势时，滞环比较器输出0；

所述电压矢量选择表，根据转矩控制信号、磁链控制信号以及定子磁链所处扇区选择此时应该输出的基本电压矢量；

所述占空比计算模块，根据当前转速与转矩误差值计算出所选电压矢量在一个控制周期内的作用时间。

一种基于转速调节占空比的异步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤1，转速观测器获取电机输出轴的转速信息，传送至转速调节器与占空比计算模块；磁链观测器和转矩观测器通过获取的电机三相定子绕组瞬时相电压和相电流，先进行坐标变换得到的两相静止α-β坐标系下定子绕组的电压值与电流值，然后计算得到定子磁链幅值信息与电磁转矩信息，电磁转矩信息被转送至转矩控制器，定子磁链幅值信息被转送至磁链控制器和扇区判断模块；扇区判断模块依据定子磁链信息判断出定子磁链所处扇区，将结果转送至电压矢量选择表；

步骤2，磁链控制器将系统预设的定子磁链幅值与磁链观测器获取的磁链幅值作差，得到磁链误差，磁链误差经过磁链控制器中的滞环比较器后，得到磁链控制信号，然后将磁链控制信号传送至电压矢量选择表；

步骤3，转速调节器将系统预设的转速值与转速观测器获取的转速值进行比例积分调节，得到给定转矩值，将给定转矩值送至转矩控制器；

步骤4，转矩控制器将转速调节器获取的转矩给定值与转矩观测器获取的转矩值作差，得到转矩误差，将转矩误差送入转矩控制器得到转矩控制信号，将转矩控制信号传送至电压矢量选择表，转矩误差同时送入占空比计算模块；

步骤5，电压矢量选择表根据转矩控制信号、磁链控制信号以及定子磁链所处扇区，确定当前所要选择的基本电压矢量；

步骤6，占空比计算模块根据当前转速与转矩误差值，计算出所选电压矢量在一个控制周期内的作用时间，即占空比信息；

步骤7，电机控制模块根据选择的电压矢量及占空比信息，生成驱动信号送至电机的控制端，通过控制逆变器中的开关提供电机所需的电压矢量，实现对电机的直接转矩控制。

进一步地，步骤6所述的占空比计算模块根据当前转速与转矩误差值，计算出所选电压矢量在一个控制周期内的作用时间，即占空比信息，具体如下：

步骤6.1，计算额定转速下系统向异步电机施加零电压矢量时的电磁转矩变化率以及有效电压矢量引起的电磁转矩变化率ku：

其中，a＝rr/σlr+rs/σls，b＝1.5nplm/σlslr，rs和rr分别为定、转子电阻、ls和lr分别为定、转子电感、lm为定转子互感、np为极对数、te为转矩观测值、ωn为电机额定转速、为转子磁链矢量、为定子磁链矢量、为定子电压矢量、j为虚数单位；

步骤6.2，将转矩给定值与转矩观测器所得的转矩观测值te进行作差运算，得到转矩观测值相对于转矩给定值的转矩误差信息δte，

步骤6.3，将转速观测器所得的当前转速ωr与额定转速ωn作商，得到当前转速在额定转速中的占比λ，

步骤6.4，根据公式计算得到电压矢量在一个控制周期内的作用时间t，其中ts为控制周期；占空比为当占空比d小于0时，取下限值0；当占空比d大于1时，取上限值1。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)在传统直接转矩控制系统的基础上，仅增加一个占空比计算模块，结构简单、实现难度小；(2)占空比计算模块综合考虑了电机转速与转矩误差，能够实时有效地调整电压矢量的占空比，减小电机的转矩脉动，并且通过调制固定参数简化了占空比运算，提升了系统运行效率；(3)转矩调节器根据不同的转速范围选取不同的容差值，充分考虑了不同的转速情况下转矩滞环容差对系统转矩脉动的影响，并且采用全转速定子磁链观测器，降低了转矩脉动，提高了转矩性能；(4)将控制周期作为开关周期，系统在一个开关周期中计算得到有效电压矢量和零电压矢量的作用时间，保证了直接转矩系统开关频率的恒定，减小了系统开关损耗，改善了直接转矩控制系统的性能。

附图说明

图1是本发明基于转速调节占空比的异步电机直接转矩控制方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明基于转速调节占空比的异步电机直接转矩控制系统，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：

所述电机状态观测模块，通过采集电机运行过程中电机的输出轴转速、定子绕组瞬时相电压和相电流，计算出电机当前的电磁转矩、定子磁链幅值以及定子磁链所处扇区信息；

所述电压矢量生成模块，根据电机状态观测模块得到的电机状态信息，结合转速调节器的输出和系统设定的定子磁链幅值，计算出定子磁链幅值的偏移和电磁转矩的偏移，经过转矩控制器和磁链控制器生成控制信号送入电压矢量选择表，结合定子磁链所处扇区选择电压矢量，并根据占空比信息确定所选电压矢量的作用时间；

所述电机控制模块，根据选择的电压矢量及占空比信息生成驱动信号，提供电机所需的电压矢量，实现对电机的直接转矩控制。

作为一种具体实施方式，所述电机状态观测模块，包括转速观测器、磁链观测器、扇区判断模块和转矩观测器，其中：

所述转速观测器，通过传感器获取电机输出轴的实时转速；

所述磁链观测器，根据采集到的定子绕组瞬时相电压、相电流以及电机的转速信息，选取相应的磁链计算模型计算出定子磁链幅值：当电机转速低于额定转速的25％时，选用i-ω模型；当电机转速高于额定转速的35％时，选用u-i模型；当电机转速度处于额定转速的25％到35％时，根据当前转速与30％额定转速的差值对两种模型的磁链观测结果进行加权平均作为当前的磁链观测结果；

所述扇区判断模块，根据计算出的定子磁链幅值在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α-β坐标轴上的-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，依次编号为1、2、3、4、5、6；

所述转矩观测器，根据电机定子磁链与电流计算当前电磁转矩值。

作为一种具体实施方式，所述电压矢量生成模块，包括转速调节器、转矩控制器、磁链控制器、电压矢量选择表和占空比计算模块，其中：

所述转速调节器，将电机实际转速值与预设转速值的误差进行比例积分调节，得出给定转矩值；

所述转矩控制器，将计算出的电磁转矩值和给定转矩值作差，然后将误差信号送入滞环比较器生成转矩控制信号；滞环比较器的容差根据电机转速选取：当电机转速低于额定转速的30％时，选取给定参考转矩值的0.1％作为滞环比较器的容差；当电机转速高于额定转速的60％时，选取给定参考转矩值的1％作为滞环比较器的容差；当电机转速位于额定转速的30％到60％范围内，选取给定参考转矩值的0.5％作为滞环比较器的容差；所述转矩控制信号为-1、0、1，当误差信号小于负容差或者处于负容差与零之间且处于上升趋势时输出-1，当误差信号大于正容差或者处于正容差与零之间且处于下降趋势时输出1，其他情况输出0；

所述磁链控制器，将系统预设的定子磁链幅值和磁链观测器计算出的磁链幅值的误差送入滞环比较器生成磁链控制信号；选取系统给定磁链幅值的1％作为滞环容差，当磁链误差值超过容差上限或者在正负容差范围内且处于下降趋势时，滞环比较器输出1；当磁链误差值超过容差下限或者在正负容差范围内且处于上升趋势时，滞环比较器输出0；

所述电压矢量选择表，根据转矩控制信号、磁链控制信号以及定子磁链所处扇区选择此时应该输出的基本电压矢量；

所述占空比计算模块，根据当前转速与转矩误差值计算出所选电压矢量在一个控制周期内的作用时间。

本发明基于转速调节占空比的异步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤1，转速观测器获取电机输出轴的转速信息，传送至转速调节器与占空比计算模块；磁链观测器和转矩观测器通过获取的电机三相定子绕组瞬时相电压和相电流，先进行坐标变换得到的两相静止α-β坐标系下定子绕组的电压值与电流值，然后计算得到定子磁链幅值信息与电磁转矩信息，电磁转矩信息被转送至转矩控制器，定子磁链幅值信息被转送至磁链控制器和扇区判断模块；扇区判断模块依据定子磁链信息判断出定子磁链所处扇区，将结果转送至电压矢量选择表；

步骤2，磁链控制器将系统预设的定子磁链幅值与磁链观测器获取的磁链幅值作差，得到磁链误差，磁链误差经过磁链控制器中的滞环比较器后，得到磁链控制信号，然后将磁链控制信号传送至电压矢量选择表；

步骤3，转速调节器将系统预设的转速值与转速观测器获取的转速值进行比例积分调节，得到给定转矩值，将给定转矩值送至转矩控制器；

步骤4，转矩控制器将转速调节器获取的转矩给定值与转矩观测器获取的转矩值作差，得到转矩误差，将转矩误差送入转矩控制器得到转矩控制信号，将转矩控制信号传送至电压矢量选择表，转矩误差同时送入占空比计算模块；

步骤5，电压矢量选择表根据转矩控制信号、磁链控制信号以及定子磁链所处扇区，确定当前所要选择的基本电压矢量；

步骤6，占空比计算模块根据当前转速与转矩误差值，计算出所选电压矢量在一个控制周期内的作用时间，即占空比信息；

步骤7，电机控制模块根据选择的电压矢量及占空比信息，生成驱动信号送至电机的控制端，通过控制逆变器中的开关提供电机所需的电压矢量，实现对电机的直接转矩控制。

作为一种具体实施方式，步骤6所述的占空比计算模块根据当前转速与转矩误差值，计算出所选电压矢量在一个控制周期内的作用时间，即占空比信息，具体如下：

步骤6.1，计算额定转速下系统向异步电机施加零电压矢量时的电磁转矩变化率以及有效电压矢量引起的电磁转矩变化率ku：

其中，a＝rr/σlr+rs/σls，b＝1.5nplm/σlslr，rs和rr分别为定、转子电阻、ls和lr分别为定、转子电感、lm为定转子互感、np为极对数、te为转矩观测值、ωn为电机额定转速、为转子磁链矢量、为定子磁链矢量、为定子电压矢量、j为虚数单位；

步骤6.2，将转矩给定值与转矩观测器所得的转矩观测值te进行作差运算，得到转矩观测值相对于转矩给定值的转矩误差信息δte，

步骤6.3，将转速观测器所得的当前转速ωr与额定转速ωn作商，得到当前转速在额定转速中的占比λ，

步骤6.4，根据公式计算得到电压矢量在一个控制周期内的作用时间t，其中ts为控制周期；占空比为当占空比d小于0时，取下限值0；当占空比d大于1时，取上限值1。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作出进一步详细说明。

实施例

结合图1，本实施例基于转速调节占空比的异步电机直接转矩控制系统，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；所述电机状态观测模块包括转速观测器、磁链观测器、扇区判断模块和转矩观测器，所述电压矢量生成模块包括转速调节器、转矩控制器、磁链控制器、电压矢量选择表和占空比计算模块。

结合图1，本实施例基于转速调节占空比的异步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤1，转速观测器获取电机输出轴的转速信息，传送至转速调节器与占空比计算模块；磁链观测器和转矩观测器通过获取的电机三相定子绕组瞬时相电压和相电流，先进行坐标变换得到的两相静止α-β坐标系下定子绕组的电压值与电流值，然后计算得到定子磁链幅值信息与电磁转矩信息，电磁转矩信息被转送至转矩控制器，定子磁链幅值信息被转送至磁链控制器和扇区判断模块；扇区判断模块依据定子磁链信息判断出定子磁链所处扇区，将结果转送至电压矢量选择表；

步骤2，磁链控制器将系统预设的定子磁链幅值与磁链观测器获取的磁链值作差，得到磁链误差，磁链误差经过磁链控制器中的滞环比较器后，得到磁链控制信号，然后将磁链控制信号传送至电压矢量选择表；

步骤3，转速调节器将系统预设的转速值与转速观测器获取的转速值进行比例积分调节，得到给定转矩值，将给定转矩值送至转矩控制器；

步骤4，转矩控制器将转速调节器获取的转矩给定值与转矩观测器获取的转矩值作差，得到转矩误差，将转矩误差送入转矩控制器得到转矩控制信号，将转矩控制信号传送至电压矢量选择表，转矩误差同时送入占空比计算模块；

步骤5，电压矢量选择表根据转矩控制信号、磁链控制信号以及定子磁链所处扇区，确定当前所要选择的基本电压矢量；

步骤6，占空比计算模块根据当前转速与转矩误差值，计算出所选电压矢量在一个控制周期内的作用时间，即占空比信息，具体如下：

步骤6.1，计算额定转速下系统向异步电机施加零电压矢量时的电磁转矩变化率以及有效电压矢量引起的电磁转矩变化率ku：

其中，a＝rr/σlr+rs/σls，b＝1.5nplm/σlslr，rs和rr分别为定转子电阻、ls和lr分别为定转子电感、lm为定转子互感、np为极对数、

步骤6.2，将转矩给定值与转矩观测器所得的转矩观测值te进行作差运算，得到转矩观测值相对于转矩给定值的转矩误差信息δte，

步骤6.3，将转速观测器所得的当前转速ωr与额定转速ωn作商，得到当前转速在额定转速中的占比λ，

步骤6.4，根据公式计算得到电压矢量在一个控制周期内的作用时间，其中ts为控制周期；占空比为当占空比d小于0时，取下限值0；当占空比d大于1时，取上限值1。

步骤7，电机控制模块根据选择的电压矢量及占空比信息，生成驱动信号送至电机的控制端，通过控制逆变器中的开关实现对电机的直接转矩控制。

综上所述，本发明在传统直接转矩控制系统的基础上，仅增加一个占空比计算模块，结构简单、实现难度小；占空比计算模块综合考虑了电机转速与转矩误差，能够实时有效地调整电压矢量的占空比，减小电机的转矩脉动，并且通过调制固定参数简化了占空比运算，提升了系统运行效率；转矩调节器根据不同的转速范围选取不同的容差值，充分考虑了不同的转速情况下转矩滞环容差对系统转矩脉动的影响，并且采用全转速定子磁链观测器，降低了转矩脉动，提高了转矩性能；将控制周期作为开关周期，系统在一个开关周期中计算得到有效电压矢量和零电压矢量的作用时间，保证了直接转矩系统开关频率的恒定，减小了系统开关损耗，改善了直接转矩控制系统的性能。