本發(fā)明涉及一種電機(jī)控制算法的改進(jìn)方案，屬于電機(jī)控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后又一新型的高效變頻調(diào)速技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對(duì)參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動(dòng)太大，嚴(yán)重地限制了直接轉(zhuǎn)矩控制算法的應(yīng)用，針對(duì)這一缺陷的改進(jìn)具有重大意義。

SVM-DTC控制算法就是在這樣的前提下提出的一種直接轉(zhuǎn)矩控制算法的改進(jìn)方案。其控制思想為：在一個(gè)控制周期內(nèi)選擇兩個(gè)非零電壓矢量和一個(gè)零電壓矢量，根據(jù)系統(tǒng)反饋值，計(jì)算所需電壓大小，在計(jì)算出合成此電壓所需要的非零電壓矢量和零電壓矢量的作用時(shí)間，便可以合成所需要的任意時(shí)刻的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩快速控制及轉(zhuǎn)矩和磁鏈的無靜差控制。

與傳統(tǒng)DTC相比較，SVM-DTC省去了滯環(huán)比較器和開關(guān)表，用一個(gè)PI調(diào)節(jié)器定子磁鏈觀測器來確定定子磁鏈增量。再根據(jù)定子磁鏈增量和轉(zhuǎn)矩角增量以及定子參考磁鏈幅值計(jì)算出下一個(gè)周期所需補(bǔ)償?shù)碾妷菏噶浚每臻g電壓矢量合成模塊合成所需電壓，輸出相應(yīng)的PWM波來驅(qū)動(dòng)逆變器。傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制觀測的是電動(dòng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行周期內(nèi)的磁鏈轉(zhuǎn)矩值，與設(shè)定值進(jìn)行比較之后，決定下一個(gè)周期所使用的電壓矢量，電壓在一個(gè)周期內(nèi)只能變換一次，從而產(chǎn)生一個(gè)周期的滯后。而SVM-DTC采用“預(yù)測”的思想，通過當(dāng)前所觀測定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩值，計(jì)算出可以使定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩達(dá)到給定值的下一個(gè)采樣點(diǎn)所需要的電壓矢量，力圖在下一個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)，就使觀測轉(zhuǎn)矩和磁鏈幅值都等于給定值，可以有效地減小磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng),改善控制效果。

但是，SVM-DTC控制算法雖然實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速控制以及轉(zhuǎn)矩和磁鏈的無靜差控制，及大地減小了磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善了控制性能，但卻從某種程度上降低了直接轉(zhuǎn)矩控制的簡單性這一特點(diǎn)，從SVM-DTC控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程可以看出，電壓參考矢量的計(jì)算摻雜了磁鏈，轉(zhuǎn)速等一系列復(fù)雜的計(jì)算，加之空間矢量合成模塊的計(jì)算量本來就已非常復(fù)雜，更使原本簡單易實(shí)現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)變得復(fù)雜冗長。

本文針對(duì)SVM-DTC缺點(diǎn)提出了一種基于磁鏈誤差矢量法的改進(jìn)方案：通過保留DTC的簡單性來簡化SVM-DTC，即直接由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的PI調(diào)節(jié)來確定參考電壓矢量，同時(shí)獲得磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩角，省去了磁鏈和轉(zhuǎn)速的計(jì)算，保留了直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)簡單性，因此，本發(fā)明具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種基于定子磁鏈誤差矢量方法的SVM-DTC算法，該方法簡化了原有的SVM-DTC算法，保留了傳統(tǒng)DTC簡單性優(yōu)點(diǎn)，包括以下步驟：

1)定子磁鏈誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)可以獲得電壓矢量相角

靜止坐標(biāo)系下定子磁鏈方程為

U_s，R_s，i_s為定子電壓向量、電阻和電流；

由于定子磁鏈與電壓矢量之間的積分關(guān)系，使得兩者在本質(zhì)上相互垂直。改變電壓矢量的幅值可以使定子磁鏈轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而引起轉(zhuǎn)矩角(或轉(zhuǎn)矩的變化)，通過改變電壓矢量方向來實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈幅值的改變，即電壓矢量相角與定子磁鏈幅值成比例關(guān)系。通過施加不同方向的電壓矢量，定子磁鏈有三種可能的狀態(tài)：

其中，

式中，u₁，u₂，u₃分別為使定子磁鏈變大、不變、變小的不同方向的空間電壓矢量，Δt為單位作用時(shí)間。

綜上所述，參考電壓矢量的相角可直接由磁鏈經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后獲得。電壓矢量相角公式可以表示為

式中，M_p，M_i分別為比例和積分系數(shù)，θ(k)為磁鏈位置角。

2)轉(zhuǎn)矩誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)可以獲得電壓矢量幅值

在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，SVM-DTC原始方案中，PMSM電磁轉(zhuǎn)矩由磁鏈和轉(zhuǎn)矩角計(jì)算而得，電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下

其中，為定子磁鏈向量，為轉(zhuǎn)子永磁體大小。T_e是電磁轉(zhuǎn)矩，L_q，L_d分別為定子直軸和交軸電感，δ是定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的電磁角度，即轉(zhuǎn)矩角。

對(duì)于面貼式PMSM，有L_d＝L_q＝L_s，故dq坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩公式可以寫成

當(dāng)既能保證Te和δ之間的線性關(guān)系且使得電機(jī)電流較小，所以的期望值通常取值為當(dāng)定子磁鏈幅值為恒定值時(shí)，轉(zhuǎn)矩變化量只與δ相關(guān)。

根據(jù)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程可知，改變轉(zhuǎn)矩角(或轉(zhuǎn)矩)的最快最有效的方法是調(diào)節(jié)定子磁鏈垂直方向的電壓矢量的幅值，根據(jù)前面的推論，定子磁鏈垂直方向的電壓矢量幅值即為合成電壓矢量的幅值，即電壓矢量幅值與電磁轉(zhuǎn)矩成比例。參考電壓矢量的幅值可直接由轉(zhuǎn)矩經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后獲得。電壓矢量幅值計(jì)算公式可以表示為

其中，K_p，K_i分別為比例和積分系數(shù)，為電磁轉(zhuǎn)矩參考值。

本發(fā)明是一種對(duì)基于磁鏈誤差矢量方法的SVM-DTC算法的優(yōu)化方案，摒棄了原有的SVM-DTC定子磁鏈誤差的復(fù)雜計(jì)算方式，直接通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差的PI調(diào)節(jié)獲得電壓矢量的幅值和相角，在保留傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制算法的簡單性的同時(shí)，有效降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善了控制系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能。

附圖說明

圖1為改進(jìn)后控制系統(tǒng)原理圖

圖2為控制系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的仿真模型

具體實(shí)施方式

經(jīng)方案改進(jìn)后的SVM-DTC實(shí)現(xiàn)過程如下：

1.定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

電動(dòng)機(jī)在αβ坐標(biāo)系下的磁鏈方程為：

磁鏈幅值

兩相靜止坐標(biāo)系下電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為：

2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)使用PI調(diào)節(jié)，霍爾元件或編碼器測得轉(zhuǎn)速的實(shí)際值ω，與設(shè)定轉(zhuǎn)速ω^*同時(shí)作為PI調(diào)解器的輸入量，通過調(diào)節(jié)比例和積分系數(shù)是控制最優(yōu)，輸出轉(zhuǎn)矩的參考值T^*。

3.參考電壓矢量幅值和相角的估算

經(jīng)過改進(jìn)后的SVM-DTC，參考電壓矢量的幅值和相角可直接由轉(zhuǎn)矩和磁鏈分別經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后獲得。電壓矢量幅值計(jì)算公式為

其中，K_p，K_i分別為比例和積分系數(shù)。為電磁轉(zhuǎn)矩參考值，由轉(zhuǎn)速

經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器獲得，電壓矢量相角計(jì)算公式為

式中，M_p，M_i分別為比例和積分系數(shù)，θ(k)為磁鏈位置角。

4.空間電壓矢量的合成

(1)參考電壓U_s所在扇區(qū)判斷

在αβ坐標(biāo)系下，根據(jù)參考電壓在各扇區(qū)時(shí)所需滿足的條件可知，U_s所在扇區(qū)完全由U_β,來確定。

設(shè)

則

A，B，C值與扇區(qū)N之間的關(guān)系可以表示為

N＝A+2B+4C

(2)合成參考電壓矢量U_s的非零矢量和零矢量作用時(shí)間的確定

空間矢量U_s是一個(gè)以角速度旋轉(zhuǎn)的空間矢量，設(shè)任意相鄰的兩個(gè)非零電壓矢量u₁，u₂的作用時(shí)間為t₁，t₂，采樣周期為T，根據(jù)伏秒平衡原則

其中，u₀表示零電壓矢量。令t₀＝T-t₁-t₂此公式表示U_s在一個(gè)采樣周期T內(nèi)作用的積分效果等價(jià)于u₁，u₂，u₀分別在t₁，t₂，t₀時(shí)間內(nèi)作用的積分值的和。

上式用平均等效原則可以表示為

U_s*T＝u₁*t₁+u₂*t₂

得

在αβ坐標(biāo)系下，有如下關(guān)系

式中，θ為U_s與α軸之間的夾角。

用頻率為1/T的三角波對(duì)空間電壓矢量進(jìn)行調(diào)制，輸出六路PWM波，對(duì)逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。