永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统及控制方法技术方案

编号:201710390722 阅读:22 评论( 0 )

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统及控制方法,解决了永磁同步电机采用传统矢量控制或直接转矩控制分别带来的转矩响应较慢和转矩纹波较大的问题。本发明专利技术方法根据永磁同步电机电压、电流、磁链、电磁转矩的关系,在离散状态下利用数值积分原理构造了一种状态观测器,同时引入PI调节器消除观测误差,实现了对下一控制周期系统状态的准确预测,基于该观测器建立永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统,在保持转矩响应快的同时减小了转矩纹波,提高了永磁同步电机运行性能。

Deadbeat direct torque control system and control method for permanent magnet synchronous motor

The invention discloses a deadbeat direct torque control system and control method of permanent magnet synchronous motor, solved using traditional vector control or direct torque control response is slow and the larger torque ripple torque are caused by permanent magnet synchronous motor. The method according to the relationship between the permanent magnet synchronous motor voltage, current, flux and torque, in discrete state by numerical integral principle, a state observer is constructed, and the introduction of PI regulator is used to eliminate the measurement error, the accurate prediction of the next control cycle of the system state, the establishment of deadbeat direct torque observer permanent magnet synchronous motor control system based on, in keeping with fast torque response and reduce the torque ripple, improve the performance of permanent magnet synchronous motor.

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1 技术实现步骤摘要

永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统及控制方法
本专利技术属于电机
,尤其涉及一种永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统及控制方法
技术介绍
本专利技术主要应用对象为电动汽车用永磁同步电机。电动汽车用永磁同步电机包括集中驱动式和轮毂驱动式两种。集中驱动式永磁同步电机体积小、重量轻、转矩密度大,轮毂驱动式场调制型永磁轮毂电机(本质也是永磁同步电机)基于磁场调制原理,具有输出低转速、大转矩的特性,它们在电动汽车驱动系统中都有很大的应用前景。目前,电动汽车用永磁同步电机常采用的控制策略为矢量控制,矢量控制算法简单、易于操作,但其转矩响应相对较慢。为了提高转矩响应,可采用直接转矩控制。直接转矩控制具有较快的转矩响应,但其采用滞环控制的方法带来了逆变器开关频率不固定、转矩纹波较大等问题。无差拍直接转矩控制是一种改进的控制策略,利用永磁同步电机的数学模型,在离散状态下根据转矩和磁链的给定值直接计算出参考电压矢量,在母线电压满足要求的情况下可以实现在一个控制周期内消除转矩和磁链误差。但是由于采样和计算时间的存在,当前控制周期产生的控制信号必需等到下一控制周期才能给到逆变器,这严重影响了系统的稳定性。为了解决无差拍直接转矩控制一周期延迟的问题,使无差拍直接转矩控制能在永磁同步电机中有效应用,可以利用状态观测器在当前控制周期预测出下一控制周期系统的状态,并通过无差拍控制算法计算出下一控制周期应产生的控制信号,在下一控制周期开始时给到逆变器,消除延迟。
技术实现思路
专利技术目的:为了解决现有技术中永磁同步电机采用矢量控制或直接转矩控制分别带来的转矩响应较慢和转矩纹波较大的问题,本专利技术提出了一种永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统及控制方法,基于离散状态观测器对定子电流进行预测,实现永磁同步电机无差拍直接转矩控制。技术方案:为了实现上述目的,本专利技术中永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统,包括:编码器、状态观测器、无差拍控制器、SVPWM调制模块、逆变器;对于某一控制周期k,所述编码器用于获取电机旋转电角速度ωr和电机转速n;利用所述电机转速n与转速给定值nref的偏差通过PI调节器计算电磁转矩给定值Teref;所述状态观测器用于根据当前控制周期永磁同步电机的定子电流和定子电压以及电机旋转电角速度ωr计算下一控制周期定子磁链的预测值和电磁转矩的预测值Te*;所述无差拍控制器以电磁转矩给定值Teref与电磁转矩预测值Te*所求得的转矩偏差ΔTe以及定子磁链的预测值作为输入参数计算参考电压vd和vq;所述SVPWM调制模块根据所述参考电压vd和vq经Park逆变换所得到的两相电压生成逆变器的控制信号;所述逆变器用于根据所述控制信号控制永磁同步电机的电压。其中,所述状态观测器包括电流预测模块、磁链预测模块和转矩预测模块。所述电流预测模块用于利用观测器方程根据当前控制周期永磁同步电机的定子电流和定子电压以及电机旋转电角速度ωr计算下一控制周期定子电流的初始预测值将上一控制周期对当前控制周期定子电流的预测值与当前控制周期定子电流的实际值之间的误差输入PI调节器,利用PI调节器根据该误差值计算并输出误差补偿值,将该误差补偿值与所述定子电流初始预测值相加进而得到最终的定子电流预测值所述磁链预测模块用于利用磁链方程根据对下一控制周期定子电流的预测值计算下一控制周期定子磁链的预测值所述转矩预测模块用于利用转矩方程根据对下一控制周期定子电流的预测值和定子磁链的预测值计算电磁转矩的预测值Te*。相应地,本专利技术还公开了一种永磁同步电机无差拍直接转矩控制方法,应用于上述控制系统,该方法包括以下步骤:所述编码器获取电机旋转电角速度ωr和电机转速n;所述电机转速n与转速给定值nref的偏差通过PI调节器计算电磁转矩给定值Teref;所述状态观测器根据当前控制周期永磁同步电机的定子电流和定子电压以及电机旋转电角速度ωr计算下一控制周期的定子磁链的预测值和电磁转矩的预测值Te*;所述无差拍控制器以电磁转矩给定值Teref与电磁转矩预测值Te*所求得的转矩偏差ΔTe以及定子磁链预测值作为输入参数计算参考电压vd和vq;所述SVPWM调制模块根据所述参考电压vd和vq经Park逆变换所得到的两相电压生成逆变器的控制信号;所述逆变器根据所述控制信号控制永磁同步电机的电压。其中,所述状态观测器计算下一控制周期的定子磁链的预测值和电磁转矩的预测值Te*,包括以下步骤:利用观测器方程根据当前控制周期永磁同步电机的定子电流和定子电压以及电机旋转电角速度ωr计算下一控制周期定子电流的初始预测值将上一控制周期对当前控制周期定子电流的预测值与当前控制周期定子电流的实际值之间的误差输入PI调节器,利用PI调节器根据该误差值计算并输出误差补偿值,将该误差补偿值与所述定子电流初始预测值相加进而得到最终的定子电流预测值利用磁链方程根据对下一控制周期定子电流的预测值计算下一控制周期定子磁链的预测值利用转矩方程根据下一控制周期定子电流的预测值和定子磁链的预测值计算电磁转矩的预测值Te*。有益效果:本专利技术中永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统及控制方法,采用离散状态观测器,能够利用当前控制周期的定子电流、定子电压以及转速采样值准确地预测下一控制周期的定子电流,进而计算出下一控制周期永磁同步电机定子磁链和电磁转矩的预测值,利用无差拍控制器计算出下一控制周期的参考电压矢量,并通过SVPWM调制产生控制信号,并在下一控制周期开始时作用到逆变器,实现永磁同步电机的无差拍直接转矩控制。本专利技术解决了无差拍直接转矩控制存在一周期延迟的问题,使得无差拍直接转矩控制能够运用于永磁同步电机。整体控制系统的转矩脉动小、响应快,大大改善了永磁同步电机的运行性能。附图说明图1是本专利技术中永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统的原理框图;图2是本专利技术中利用观测器方程求解电流初始预测值的原理框图;图3是本专利技术中电流观测器原理框图;图4是本专利技术中用于永磁同步电机无差拍直接转矩控制的状态观测器原理框图;图5是电流观测器MATLAB/Simulink仿真波形;图6是电流观测器实验波形;图7是永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统实验波形。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。图1中的永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统主要包括:编码器、状态观测器、无差拍控制器、SVPWM调制模块、逆变器,在一个控制周期内,利用电流传感器测得永磁同步电机a、b相电流ia(k)、ib(k),经Clarke和Park变换得到两相旋转坐标系下的定子电流同样的,将定子相电压做相同的处理得到将以及经编码器采样计算得到的电机旋转电角速度ωr输入状态观测器计算下一控制周期定子磁链和电磁转矩的预测值和Te*。利用编码器测得的电机转速n与转速给定值nref的偏差通过PI调节器计算出电磁转矩给定值Teref,进而与电磁转矩预测值Te*求得转矩偏差ΔTe。将转矩偏差ΔTe以及定子磁链的预测值作为无差拍控制器的输入参数,利用无差拍直接转矩控制器计算参考电压vd和vq,并利用SVPWM调制策略得到逆变器的控制信号,控制逆变器运行,控制电机相电压。在同步旋转dq坐标系中,假设(其中f可表示电压v、电流i、磁链λ等,j为虚数单位),则永磁同步电机定子电压、定子电流以及定子磁链的本文档来自技高网...
<a href="http://www.xjishu.com/zhuanli/60/201710390722.html" title="永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统及控制方法原文来自X技术">永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统及控制方法</a>
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2 技术保护点

一种永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统,其特征在于,该系统包括:编码器、状态观测器、无差拍控制器、SVPWM调制模块、逆变器,对于某一控制周期k,所述编码器用于获取电机旋转电角速度ωr和电机转速n;利用所述电机转速n与转速给定值nref的偏差通过PI调节器计算电磁转矩给定值Teref;所述状态观测器用于根据当前控制周期永磁同步电机的定子电流

3 技术保护范围摘要

1.一种永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统,其特征在于,该系统包括:编码器、状态观测器、无差拍控制器、SVPWM调制模块、逆变器,对于某一控制周期k,所述编码器用于获取电机旋转电角速度ωr和电机转速n;利用所述电机转速n与转速给定值nref的偏差通过PI调节器计算电磁转矩给定值Teref;所述状态观测器用于根据当前控制周期永磁同步电机的定子电流和定子电压以及电机旋转电角速度ωr计算下一控制周期的定子磁链的预测值和电磁转矩的预测值Te*;所述无差拍控制器以电磁转矩给定值Teref与电磁转矩预测值Te*所求得的转矩偏差ΔTe以及定子磁链预测值作为输入参数计算参考电压vd和vq;所述SVPWM调制模块根据所述参考电压vd和vq经Park逆变换所得到的两相电压生成逆变器的控制信号;所述逆变器用于根据所述控制信号控制永磁同步电机的定子电压。2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统,其特征在于,所述状态观测器包括电流预测模块、磁链预测模块和转矩预测模块,所述电流预测模块用于利用观测器方程根据当前控制周期永磁同步电机的定子电流和定子电压以及电机旋转电角速度ωr计算下一控制周期定子电流的初始预测值将上一控制周期对当前控制周期定子电流的预测值与当前控制周期的定子电流之间的误差输入PI调节器,利用PI调节器根据该误差值计算并输出误差补偿值,将该误差补偿值与所述定子电流的初始预测值相加进而得到最终的定子电流预测值所述磁链预测模块用于利用磁链方程根据对下一控制周期定子电流的预测值计算下一控制周期的定子磁链预测值所述转矩预测模块用于利用转矩方程根据对下一控制周期定子电流的预测值和定子磁链的预测值计算电磁转矩的预测值Te*。3.根据权利要求2所述的永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统,其特征在于,所述观测器方程为:1所述磁链方程为:所述转矩方程为:式中,为直轴电流的初始预测值,为交轴电流的初始预测值,Ld为直轴电感,Lq为交轴电感,为直轴电流,为交轴电流,Rs为定子电阻,Ts为控制周期时长,为直轴电压,为交轴电压,λpm为永磁磁链,ωr为电机旋转电角速度,为定子磁链,Te为电磁转矩,p为...

4 专利技术属性

发明(设计)人:樊英王武森
申请(专利权)人:东南大学
专利类型:发明
专利号:201710390722
国别省市:江苏,32

5 专利技术项目评估

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6 相关技术资料

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