一种直流偏置型交流电机的直接转矩控制方法及装置

1.本发明属于交流电机驱动与控制领域，更具体地，涉及一种直流偏置型交流电机的直接转矩控制方法及装置。


背景技术：

2.直流偏置型交流电机具有双凸极结构和定子集中绕组结构，具有结构简单可靠，成本低廉，损耗小的特点，近年来受到国内外的广泛关注。直流偏置型交流电机的相电感由直流分量和交流分量组成，并且绕组之间不存在互感。图1为直流偏置型交流电机的典型相电流波形。通过向电机相电流注入交流分量，可以产生定子磁场，向电机相电流中注入直流偏置分量，可以产生转子磁场。两种磁场相互作用将产生电磁转矩，驱动电机旋转。通过灵活改变相电流中直流偏置分量的大小，可以调节电机转子磁场的大小，因此这种电机具有优秀的调速性能。
3.图2为直流偏置型交流电机控制系统的主电路结构图。直流偏置型交流电机在使用传统直接转矩控制策略时，根据转速误差信号产生转矩指令信号，通过最大转矩电流比控制策略将转矩指令信号转换成磁链指令信号和零序电流指令信号。将转矩误差信号、磁链误差信号和零轴电流误差信号分别输入三个pi控制器，产生对应的电压矢量施加再电机绕组两端。这种控制方法需要根据静止两相坐标系下的磁链计算磁链矢量角度，使得电机低速运行时转矩波动较大。此外，使用pi控制器限制了转矩动态响应速度。
4.对于直流偏置型交流电机，当负载发生变化时，电感会出现明显的饱和特性，电机相电感的直流分量和交流分量都会减小。传统的直接转矩控制策略忽略了电感饱和特性，其动态响应速度和稳态性能都较差。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种直流偏置型交流电机的直接转矩控制方法及装置，其目的在于在不改变控制系统硬件结构前提下，通过对直流偏置型交流电机数学模型的理论分析，充分考虑电机电感饱和特性，设计具有鲁棒性的反馈线性控制器，对电机的转矩、磁链和零轴电流进行控制，提高转矩动态响应速度，降低转矩脉动，提高直流偏置型交流电机的运行效率。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种直流偏置型交流电机的直接转矩控制方法，包括：
7.(1)根据接收到的电机转速给定值ω
r*
与电机转速反馈值ωr的差值，输出转矩给定值通过调节转矩给定值使得电机转速反馈值ωr，始终跟随电机转速给定值ω
r*
的变化；
8.(2)根据电机转矩给定值，按照最大转矩电流比控制策略，通过磁链电流分配器，获得电机定子磁链给定值的平方λ
*
和零轴电流给定值i
0*
；
9.(3)根据转矩反馈值te与电机转矩给定值t
e*
的差值e
t
、电机定子磁链反馈值的平
方λ与电机定子磁链给定值的平方λ
*
的差值e
λ
和零轴电流反馈值i0与零轴电流给定值i
0*
的差值e
i0
，和比例矩阵k，得到第一变化率矩阵u1＝k[e
teλei0
]
t
；
[0010]
(4)根据电机转矩指令变化率磁链指令平方的变化率零轴电流指令的变化率电角速度ωe，d轴磁链ψd，q轴磁链ψq，d轴电流id，q轴电流iq，0轴电流i0，直流电感ls和交流电感l0，得到第二变化率矩阵u2，可以表示为
[0011][0012]
(5)根据d轴磁链ψd，q轴磁链ψq，d轴电流id，q轴电流iq，0轴电流i0，直流电感ls和交流电感l0，得到转换矩阵g(x)；
[0013]
(6)根据第一变化率矩阵u1、第二变化率矩阵u2和转换矩阵g(x)，得到同步旋转坐标系下的电压指令矩阵u
ref
＝[v
d v
q v0]
t
；
[0014]
(7)根据电压指令矩阵u
ref
得到相位滞后于电压指令矩阵对应的合成电压矢量30度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量u
ref1
＝[u
d1 u
q1 u
01
]
t
；根据电压指令矩阵u
ref
得到相位滞后于电压指令矩阵对应的合成电压矢量150度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量u
ref2
＝[u
d2 u
q2 u
02
]
t
；
[0015]
(8)对电压矢量u
ref1
进行空间矢量脉宽调制，产生a1、b1、c1相pwm信号pwm1-6，通过第一逆变器得到第一电压；对电压矢量u
ref2
进行空间矢量脉宽调制，产生a2、b2、c2相pwm信号pwm7-12，通过第二逆变器得到第二电压；
[0016]
(9)将第一电压和第二电压输入直流偏置型交流电机，产生带直流偏置的正弦电流信号，实现直流偏置交流电机的直接转矩控制。
[0017]
进一步地，直流偏置型交流电机的转矩变化率、磁链平方的变化率和零轴电流的变化率可以表示为：
[0018][0019][0020][0021]
其中rs为电机相电阻，k1，k2，k3，k4分别表示为：
[0022][0023]
其中p为直流偏置型交流电机的转子极对数。
[0024]
进一步地，直流偏置型交流电机状态方程可以表示为：
[0025][0026]
其中
[0027]
x＝[t
e λ i0]
t
,u
ref
＝[v
d v
q v0]
t
[0028][0029][0030]
系统的状态变量指令值可以表示为：
[0031][0032]
系统的误差向量可以表示为：
[0033][0034]
比例矩阵k可以表示为：
[0035][0036]
其中，ρ1，ρ2，ρ3为正系数。
[0037]
进一步地，反馈线性控制器的输出可以表示为：
[0038][0039]
上述控制器中包含直流偏置型交流电机的相电感直流分量和交流分量，当电机负载发生变化时，电机相电感也会发生饱和，从而引起参数变化。反馈线性控制器充分考虑了电机饱和特性，根据负载变化，同步调整输出电压，实现电机转矩精准控制。
[0040]
进一步地，所提出的反馈线性控制器的稳定性可以证明如下：
[0041]
定义李雅普诺夫方程v(x
err
)为：
[0042][0043]
李雅普诺夫方程v(x
err
)对时间的导数可以表示为：
[0044][0045]
所以，平衡点x
err
＝0是全局渐近稳定的，即当时间趋近于无穷，x
err
以指数收敛于于0。
[0046]
电机转矩给定值t
e*
输入电流分配器，电流分配器根据iq和i0随te的变化关系，计算得到i
q*
和i
0*
，同时控制i
d*
＝0。反馈线性控制器不需要通过磁链计算角度，从而改善了直流偏置型交流电机的运行稳定性，同时反馈线性控制器不需要积分器，从而提高了直流偏置型交流电机的动态响应速度。
[0047]
按照本发明的另一方面，提供了一种直流偏置交流电机直接转矩控制装置，包括：
[0048]
速度调节器，用于接收电机转速给定值ω
r*
与电机转速反馈值ωr的差值，输出转矩给定值
[0049]
最大转矩电流比磁链电流分配器，用于接收输出转矩给定值分配磁链平方的给定值λ
*
和零轴电流的给定值i
0*
；
[0050]
反馈线性控制器，根据转矩反馈值te与电机转矩给定值t
e*
的差值e
t
、电机定子磁链反馈值的平方λ与电机定子磁链给定值的平方λ
*
的差值e
λ
和零轴电流反馈值i0与零轴电流给定值i
0*
的差值e
i0
，和比例矩阵k，得到第一变化率矩阵u1；根据电机转矩指令变化率磁链指令平方的变化率零轴电流指令的变化率电角速度ωe，d轴磁链ψd，q轴磁链ψq，d轴电流id，q轴电流iq，0轴电流i0，直流电感ls和交流电感l0，得到第二变化率矩阵u2；根据d轴磁链ψd，q轴磁链ψq，d轴电流id，q轴电流iq，0轴电流i0，直流电感ls和交流电感l0，得到转换矩阵g(x)；根据第一变化率矩阵u1、第二变化率矩阵u2和转换矩阵g(x)，得到同步旋转坐标系下的电压指令矩阵u
ref
＝[v
d v
q v0]
t
；
[0051]
第一电压相移模块，用于接收指令电压矩阵u
ref
，输出相位滞后于电压矩阵合成电压矢量30度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量u
ref1
＝[u
d1
,u
q1
,u
01
]
t
；
[0052]
第二电压相移模块，用于接收指令电压矩阵u
ref
，输出相位滞后于电压矩阵合成电压矢量150度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量u
ref2
＝[u
d2
,u
q2
,u
02
]
t
；
[0053]
第一脉宽调制模块，用于接收电压矢量u
ref1
，进行空间矢量脉宽调制，输出第一逆变器的a1、b1、c1相pwm信号pwm1-6；
[0054]
第二脉宽调制模块，用于接收电压矢量u
ref2
，进行空间矢量脉宽调制，输出第二逆变器的a2、b2、c2相pwm信号pwm7-12；
[0055]
速度传感器，用于得到电机转速反馈值ωr和转子电角度θe；
[0056]
电流传感器，用于得到电机静止三相坐标系下的电流ia，ib和ic；
[0057]
转矩磁链观测器，用于接收电机三相电流ia，ib，ic和转子电角度θe，输出电机转矩
反馈值te，定子磁链平方的反馈值λ，dq0轴电流i
dq0
和定子磁链dq轴分量ψd，ψq。
[0058]
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于考虑了直流偏置型交流电机的电感参数特性，构建了具有零轴电流调节能力反馈线性控制器，在最优对电机同步旋转坐标系下的电压分量同时进行控制，能够取得提高电机转矩控制精度，提升电机转矩响应速度的有益效果。
附图说明
[0059]
图1为直流偏置型交流电机的典型相电流波形；
[0060]
图2为直流偏置型交流电机控制系统的主电路结构图；
[0061]
图3为直流偏置型交流电机的反馈线性控制策略控制框图；
[0062]
图4为反馈线性控制策略(a)和传统控制策略(b)的转矩响应速度和转矩脉动对比。
具体实施方式
[0063]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
[0064]
本发明提供了一种直流偏置型交流电机的直接转矩控制方法，包括：
[0065]
(1)根据接收到的电机转速给定值ω
r*
与电机转速反馈值ωr的差值，输出转矩给定值通过调节转矩给定值使得电机转速反馈值ωr，始终跟随电机转速给定值ω
r*
的变化；
[0066]
(2)根据电机转矩给定值，按照最大转矩电流比控制策略，通过磁链电流分配器，获得电机定子磁链给定值的平方λ
*
和零轴电流给定值i
0*
；
[0067]
(3)根据转矩反馈值te与电机转矩给定值t
e*
的差值e
t
、电机定子磁链反馈值的平方λ与电机定子磁链给定值的平方λ
*
的差值e
λ
和零轴电流反馈值i0与零轴电流给定值i
0*
的差值e
i0
，和比例矩阵k，得到第一变化率矩阵u1＝k[e
teλei0
]
t
；
[0068]
(4)根据电机转矩指令变化率磁链指令平方的变化率零轴电流指令的变化率电角速度ωe，d轴磁链ψd，q轴磁链ψq，d轴电流id，q轴电流iq，0轴电流i0，直流电感ls和交流电感l0，得到第二变化率矩阵u2，可以表示为
[0069]
[0070]
(5)根据d轴磁链ψd，q轴磁链ψq，d轴电流id，q轴电流iq，0轴电流i0，直流电感ls和交流电感l0，得到转换矩阵g(x)；
[0071]
(6)根据第一变化率矩阵u1、第二变化率矩阵u2和转换矩阵g(x)，得到同步旋转坐标系下的电压指令矩阵u
ref
＝[v
d v
q v0]
t
；
[0072]
(7)根据电压指令矩阵u
ref
得到相位滞后于电压指令矩阵对应的合成电压矢量30度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量u
ref1
＝[u
d1 u
q1 u
01
]
t
；根据电压指令矩阵u
ref
得到相位滞后于电压指令矩阵对应的合成电压矢量150度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量u
ref2
＝[u
d2 u
q2 u
02
]
t
；
[0073]
(8)对电压矢量u
ref1
进行空间矢量脉宽调制，产生a1、b1、c1相pwm信号pwm1-6，通过第一逆变器得到第一电压；对电压矢量u
ref2
进行空间矢量脉宽调制，产生a2、b2、c2相pwm信号pwm7-12，通过第二逆变器得到第二电压；
[0074]
(9)将第一电压和第二电压输入直流偏置型交流电机，产生带直流偏置的正弦电流信号，实现直流偏置交流电机的直接转矩控制。
[0075]
具体地，直流偏置型交流电机的转矩变化率、磁链平方的变化率和零轴电流的变化率可以表示为：
[0076][0077][0078][0079]
其中rs为电机相电阻，k1，k2，k3，k4分别表示为：
[0080][0081]
其中p为直流偏置型交流电机的转子极对数。
[0082]
图3为本发明提供的直流偏置型交流电机的直接转矩控制装置的系统框图，包括速度调节器1、磁链电流分配器2、反馈线性控制器3、第一电压移相模块4a、第二电压移相模块4b、第一脉宽调制模块5a、第二脉宽调制模块5b、逆变器6，直流偏置型交流电机7、速度传感器8、电流传感器9和转矩磁链观测器10。
[0083]
电机转速给定值ω
r*
与电机转速反馈值ωr的差值输入速度调节器1，所述速度调节器输出转矩给定值通过调节使得电机转速ωr始终跟随ω
r*
的变化；
[0084]
其中电机转速反馈值ωr由电机速度传感器8检测得到；
[0085]
磁链电流分配器2根据最大转矩电流比控制策略，将电机转矩给定值对应至电机定子磁链平方的指令值λ
*
和零轴电流的指令值i
0*
；
[0086]
电机转矩给定值转矩反馈值te，磁链平方的给定值λ
*
，磁链平方的反馈值λ，零轴电流指令值i
0*
，0轴电流反馈值i0，d轴电流id，q轴电流iq，d轴磁链ψd，q轴磁链ψq，输入反馈线性控制器3，所述反馈线性控制器输出指令电压矩阵u
ref
，具体计算过程包括下述过程：
[0087]
直流偏置型交流电机系统状态方程可以表示为：
[0088][0089]
其中，定义状态变量为直流偏置型交流电机的转矩反馈值te，定子磁链平方的反馈值λ，零轴电流i0：
[0090]
x＝[t
e λ i0]
t
[0091]
定义直流偏置型交流电机的输入为d轴电压vd，q轴电压vq和零轴电压v0：
[0092]uref
＝[v
d v
q v0]
t
[0093]
根据直流偏置型交流电机的数学模型可以得到：
[0094][0095][0096]
其中f(x)和g(x)为可控矩阵，且在直流偏置型交流电机的任何工况下g(x)矩阵可逆。
[0097]
系统的误差向量可以表示为：
[0098][0099]
进一步地，反馈线性控制器的输出可以表示为：
[0100][0101]
将反馈线性控制器的输出的电压指令矩阵u
ref
输入到第一电压相移模块4a和第二电压相移模块4b。其中第一电压相移模块输出相位滞后于电压指令矩阵对应的合成电压矢量30度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量u
ref1
＝[u
d1
,u
q1
,u
01
]
t
，第二电压相移模块输出相位滞后于电压指令矩阵对应的合成电压矢量150度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量u
ref2
＝[u
d2
,u
q2
,u
02
]
t
。第一脉宽调制模块5a，对电压矢量u
ref1
进行空间矢量脉宽调制，输出第一逆变器的a1、b1、c1相pwm信号pwm1-6，作用于第一套三相逆变器的开关器件；第二脉宽调制模块5b，对电压矢量u
ref2
进行空间矢量脉宽调制，输出第二逆变器的a2、
b2、c2相pwm信号pwm7-12，作用于第一套三相逆变器的开关器件。逆变器包括直流电源和12个igbt，其中6个igbt组成第一逆变器，其输出端a1、b1、c1分别连接直流偏置型交流电机a、b、c相的输入端；另外6个igbt组成第二逆变器，其输出端a2、b2、c2分别连接直流偏置型交流电机a、b、c相的输出端；逆变器的输出电压作用在直流偏置正弦电流电机的三相绕组上，控制直流偏置正弦电流电机三相绕组a、b、c相的电流，产生对应于输入pwm信号的带直流偏置的正弦电流信号，控制直流偏置正弦电流电机运行。
[0102]
定子三相电流ia，ib，ic和转子电角度θe分别由电流传感器9和速度传感器8获得，然后输入转矩磁链观测器10，并经过以下过程得到电机转矩反馈值te与定子磁链平方的反馈值λ：
[0103]
首先，直流偏置型交流电机的同步旋转坐标系下电流可以由下式计算得到：
[0104][0105]
进一步地，直流偏置型交流电机的d轴磁链ψd和q轴磁链ψq可以由下式计算得到：
[0106][0107]
进一步地，直流偏置型交流电机的输出转矩反馈值te可以由下式计算得到：
[0108][0109]
其中p为电机的转子极对数。
[0110]
图4为所提出的控制策略(a)和传统控制策略(b)的转矩响应速度和转矩脉动对比。从图中可以看出，在同一转速下，负载从1nm阶跃变化为2nm，采用所提出的控制器，转矩响应时间为2.988ms，稳态转矩脉动为0.206nm，而采用传统的控制器，转矩响应时间为4.102ms，稳态转矩脉动为0.221nm。可以看出所提出的控制器能够显著提升电机转矩响应速度并提高电机转矩控制精度。
[0111]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。