基于动态转矩滞环的TLDMC-PMSM系统控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于动态转矩滞环的TLDMC‑PMSM系统控制方法，包括：1、采集三电平直接矩阵变换器的三相输入电压、三相输出电流，以及永磁同步电机的转子转速；2、计算得到三电平直接矩阵变换器的输入电流空间矢量和输出电压空间矢量；3、对永磁同步电机的电磁转矩、定子磁链和输入功率因数平均值进行观测；4、根据步骤3得到的观测值，采用直接转矩控制方式得到三电平直接矩阵变换器的开关信号，实现系统控制。与现有技术相比，本发明专利技术能降低永磁同步电机低速运行下的定子磁链失调问题，所采用的三电平直接矩阵变换器在提高系统对电磁转矩和定子磁链控制性能的同时，降低系统输出的共模电压。

Control method of TLDMC-PMSM system based on dynamic torque hysteresis

The invention relates to a control method of a TLDMC_PMSM system based on dynamic torque hysteresis loop, which includes: 1. collecting three-phase input voltage, three-phase output current of three-level direct matrix converter, and rotor speed of permanent magnet synchronous motor; 2. calculating input current space vector and output of three-level direct matrix converter. Voltage space vector; 3. The average values of electromagnetic torque, stator flux and input power factor of permanent magnet synchronous motor are observed; 4. According to the observed values obtained in step 3, the switching signals of three-level direct matrix converter are obtained by direct torque control to realize system control. Compared with the prior art, the invention can reduce the stator flux misalignment problem of the permanent magnet synchronous motor under low speed operation. The three-level direct matrix converter is used to improve the control performance of the system for the electromagnetic torque and the stator flux, and to reduce the common-mode voltage of the system output.

【技术实现步骤摘要】
基于动态转矩滞环的TLDMC-PMSM系统控制方法
本专利技术涉及永磁同步电机控制方法，尤其是涉及一种基于动态转矩滞环的TLDMC-PMSM系统控制方法。
技术介绍
矩阵变换器(MatrixConverter，MC)是一种新型的交流电力变换器，具有很多优点：能量双向流动，可四象限运行；正弦输入/输出，谐波畸变率小；功率因数可调等。永磁同步电机(PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM)采用永磁材料实现电机励磁，运行功率因数高、效率高、功率密度大。因此矩阵变换器-永磁同步电机(MC-PMSM)系统具有广泛的应用前景。直接转矩控制(DirectTorqueControl，DTC)是一种简单而强大的新型先进控制技术：1)结构简单，不需要复杂的坐标变换；2)不需要电流控制器，减少了硬件成本；3)能够实现快速，精确的转矩控制响应；4)也能够在无传感器模式下运行等等。为了综合上述三者的优点，有学者将DTC应用于MC-PMSM系统。然而，DTC高动态性能使得MC-PMSM系统电磁转矩和定子磁链脉动仍然很大。为了解决这个问题，相关学者做了大量的研究工作：1)传统DTC的改进，包括开关表的扩展与优化，采用占空比控制方法，基于空间矢量调制的DTC等；2)采用新型控制理论与DTC结合，例如模糊控制，神经网络，预测转矩控制方法等；3)提出具有更多控制矢量，例如采用离散空间矢量方法，采用新型变换器等。上述解决方案的低速性能并不理想。当转子处在低速和零速时，由于选择用于减小电磁转矩的零矢量作用时间较长，使得定子磁链容易出现畸变，导致定子磁链不能被准确地调节，定子绕组电流会发生恶化，从而导致定子和转子之间的耦合降低，对电动机运行不利。近年来出现的三电平直接矩阵变换器(ThreeLevelDirectMatrixConverter,TLDMC)，它结合了矩阵变换器和三电平逆变器的特点，能够进一步降低输出总谐波畸变，减少开关器件电压应力，降低共模电压以及高功率密度，因此将三电平直接矩阵变换器应用于永磁同步电机直接转矩控制系统，能够提高对电磁转矩和定子磁链的控制性能。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于动态转矩滞环的TLDMC-PMSM系统控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于动态转矩滞环的TLDMC-PMSM系统控制方法，所述系统中通过三电平直接矩阵变换器控制永磁同步电机，该控制方法包括：S1、采集三电平直接矩阵变换器的三相输入电压、三相输出电流，以及永磁同步电机的转子转速；S2、通过三电平直接矩阵变换器的三相输入电压、三相输出电流和开关函数矩阵，计算得到三电平直接矩阵变换器的输入电流空间矢量和输出电压空间矢量；S3、通过三电平直接矩阵变换器的输入电流空间矢量和输出电压空间矢量对永磁同步电机的电磁转矩、定子磁链和输入功率因数平均值进行观测，得到观测值；S4、根据步骤S3得到的观测值，采用直接转矩控制方式得到三电平直接矩阵变换器的开关信号，实现系统控制。优选的，所述步骤S2中输出电压空间矢量的计算公式为：其中，uoA、uoB、uoC表示三电平直接矩阵变换器的三相输出电压，计算公式为：其中，S(t)表示三电平直接矩阵变换器的电路拓扑所包含的12个双向开关的触发信号Sij所对应的开关函数矩阵，i∈{A,B,C}，j∈{a,b,c,n}，ui表示三电平直接矩阵变换器的三相输入电压uia、uib、uic通过矢量变换得到的三相输入电压空间矢量；所述输入电流空间矢量为：其中，iia、iib、iic表示三电平直接矩阵变换器的三相输入电流，计算公式为：其中，T表示矩阵的转置，io表示三电平直接矩阵变换器的三相输出电流ioA、ioB、ioC通过矢量变换得到的三相输出电流空间矢量，in为中性点电流。优选的，所述步骤S3中，对永磁同步电机的定子磁链进行观测包括：分别计算定子磁链α轴分量ψsα、定子磁链β轴分量ψsβ和定子磁链幅值|ψs|：ψsα＝∫(usα-Rsisα)dtψsβ＝∫(usβ-Rsisβ)dt其中，Rs表示定子绕组电阻，usα、usβ和isα、isβ分别表示定子端电压us和定子绕组电流is在静止坐标系下的α、β分量，us等于三电平直接矩阵变换器的输出电压空间矢量，is等于三电平直接矩阵变换器的三相输出电流通过矢量变换得到的三相输出电流空间矢量；所述对永磁同步电机的电磁转矩进行观测包括：计算电磁转矩Te：Te＝1.5p(ψsαisβ-ψsβisα)其中，p为极对数；所述对输入功率因数平均值进行观测包括：计算输入电压空间矢量ui和输入电流空间矢量的相位差得到输入功率因数平均值其中ui通过三电平直接矩阵变换器的三相输入电压通过矢量变换得到。优选的，所述步骤S4包括：S41、将定子磁链设定值与所观测的定子磁链幅值的误差经过第一两级滞环比较器得到输出Cψ，将设定的参考转速与永磁同步电机实际转子转速经PI调节器得到转矩参考值，再将转矩参考值与所观测的电磁转矩的误差经过动态滞环比较器得到输出CT，将功率因数设定值0与所观测的输入功率因数平均值经过第二两级滞环比较器，得到输出S42、根据Cψ、CT、在制定的直接转矩控制开关表查询选择合适的电压矢量，得到三电平直接矩阵变换器的开关信号，实现系统控制。优选的，所述动态滞环比较器包括并联的多个不同的滞环比较器，根据对比定子磁链幅值的误差与设定的磁链失调的下限的大小选择合适的滞环比较器。优选的，所述动态滞环比较器包括并联的五级滞环比较器和四级滞环比较器。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、采用三电平直接矩阵变换器，比传统矩阵变换器具有更多的控制矢量，在中高速运行范围内，能够更有效地降低系统稳态时电磁转矩和定子磁链脉动，同时，三电平直接矩阵变换器也能够降低变换器输出的共模电压。2、直接转矩控制中采用动态转矩滞环方法，当系统低速运行出现定子磁链失调时，可通过选择反向电压矢量代替零矢量的方式，改善定子磁链失调，有效地提高系统对磁链的调节性能。附图说明图1为本专利技术中三电平直接矩阵变换器-永磁同步电机(TLDMC-PMSM)系统示意图；图2为本专利技术的控制方法过程示意图；图3为本专利技术中三电平直接矩阵变换器输出电压空间矢量示意图；图4为本专利技术中三电平直接矩阵变换器输入电流空间矢量示意图；图5为传统矩阵变换器-永磁同步电机系统低速运行时磁链减少示意图；图6为电压矢量u3在扇区2的径向分量和切向分量的变化示意图；图7为电压矢量的径向和切向分量影响磁链调节的仿真结果图；图8为滞环比较器动态过程中磁链、转矩和转矩状态的离散波形示意图；图9为本专利技术中动态滞环比较器的原理示意图；图10为实施例中传统MC-DTC轻载低速下的仿真波形图；图11为实施例中改进MC-DTC轻载低速下的仿真波形图；图12为实施例中TLDMC-DTC轻载低速下的仿真波形图；图13为实施例中转速5rad/s和2N·m轻载下的仿真波形图；图14为实施例中传统MC-DTC额定负载启动仿真波形图；图15为实施例中改进MC-DTC额定负载启动仿真波形图；图16为实施例中TLDMC-DTC额定负载启动仿真波形图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动态转矩滞环的TLDMC‑PMSM系统控制方法，其特征在于，所述系统中通过三电平直接矩阵变换器控制永磁同步电机，该控制方法包括：S1、采集三电平直接矩阵变换器的三相输入电压、三相输出电流，以及永磁同步电机的转子转速；S2、通过三电平直接矩阵变换器的三相输入电压、三相输出电流和开关函数矩阵，计算得到三电平直接矩阵变换器的输入电流空间矢量和输出电压空间矢量；S3、通过三电平直接矩阵变换器的输入电流空间矢量和输出电压空间矢量对永磁同步电机的电磁转矩、定子磁链和输入功率因数平均值进行观测，得到观测值；S4、根据步骤S3得到的观测值，采用直接转矩控制方式得到三电平直接矩阵变换器的开关信号，实现系统控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于动态转矩滞环的TLDMC-PMSM系统控制方法，其特征在于，所述系统中通过三电平直接矩阵变换器控制永磁同步电机，该控制方法包括：S1、采集三电平直接矩阵变换器的三相输入电压、三相输出电流，以及永磁同步电机的转子转速；S2、通过三电平直接矩阵变换器的三相输入电压、三相输出电流和开关函数矩阵，计算得到三电平直接矩阵变换器的输入电流空间矢量和输出电压空间矢量；S3、通过三电平直接矩阵变换器的输入电流空间矢量和输出电压空间矢量对永磁同步电机的电磁转矩、定子磁链和输入功率因数平均值进行观测，得到观测值；S4、根据步骤S3得到的观测值，采用直接转矩控制方式得到三电平直接矩阵变换器的开关信号，实现系统控制。2.根据权利要求1所述的基于动态转矩滞环的TLDMC-PMSM系统控制方法，其特征在于，所述步骤S2中输出电压空间矢量的计算公式为：其中，uoA、uoB、uoC表示三电平直接矩阵变换器的三相输出电压，计算公式为：其中，S(t)表示三电平直接矩阵变换器的电路拓扑所包含的12个双向开关的触发信号Sij所对应的开关函数矩阵，i∈{A,B,C}，j∈{a,b,c,n}，ui表示三电平直接矩阵变换器的三相输入电压uia、uib、uic通过矢量变换得到的三相输入电压空间矢量；所述输入电流空间矢量为：其中，iia、iib、iic表示三电平直接矩阵变换器的三相输入电流，计算公式为：其中，T表示矩阵的转置，io表示三电平直接矩阵变换器的三相输出电流ioA、ioB、ioC通过矢量变换得到的三相输出电流空间矢量，in为中性点电流。3.根据权利要求1所述的基于动态转矩滞环的TLDMC-PMSM系统控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，对永磁同步电机的定子磁链进行观测包括：分别计算定子磁链α轴分量ψsα、定子磁链β轴分量ψsβ和定子磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：程启明，陈路，孙伟莎，李涛，程尹曼，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31