三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法技术方案

本发明专利技术一种三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，包括：步骤一、利用三相四开关逆变器产生的四个不平衡电压矢量，重构出六个基本电压矢量，步骤二、获取永磁同步电机位置，并计算得到电机转速，得到参考转矩给定值

Direct torque control method for three phase four switch permanent magnet synchronous motor speed regulating system

The invention relates to a direct torque control method for a three-phase four-switch permanent magnet synchronous motor (PMSM) speed control system, which comprises the following steps: 1. Six basic voltage vectors are reconstructed by using four unbalanced voltage vectors generated by the three-phase four-switch inverter; 2. The position of the PMSM is obtained; the motor speed is calculated and obtained. Reference torque setting value

【技术实现步骤摘要】
三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法
本专利技术涉及一种三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，属于电机控制领域。
技术介绍
永磁同步电机直接转矩控制方法具有控制结构简单、动态响应快速的优点，在日常生活和工业生产中有着广泛的应用。通常，永磁同步电机直接转矩控制调速系统由三相六开关电压源逆变器馈电。为了减小开关管数量，降低驱动系统的硬件成本和功耗，三相四开关逆变器电机驱动系统得到了越来越多的关注。此外，当三相六开关逆变器的某一相桥臂发生短路、断路等故障情况时，通过设计三相四开关逆变器容错结构，可以提高驱动系统的可靠性，保障电机在逆变器故障状态下继续稳定运行。永磁同步电机传统直接转矩控制方法将电机与逆变器视为一个整体，在每一个控制周期中从开关矢量表中选取一个固定的电压矢量对转矩和定子磁链进行控制。与三相六开关逆变器相比，三相四开关逆变器拓扑只能产生四个基本电压矢量，且它们的幅值也不完全相同。因而，基于开关矢量表的三相四开关永磁同步电机传统直接转矩控制方法控制精度有限，转矩和磁链波动也会变大，影响电机运行性能，因此有必要加以改进。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，以提升三相四开关永磁同步电机的控制精度。本专利技术采用了如下技术方案：一种三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，其特征在于，包括：步骤一、利用三相四开关逆变器产生的四个不平衡电压矢量，重构出在坐标平面对称分布的六个基本电压矢量以及零电压矢量，步骤二、获取永磁同步电机位置，并计算得到电机转速，通过滑模速度控制器得到参考转矩给定值步骤三、获取永磁同步电机三相电流，并计算得到电机定子磁链和反馈转矩，以电机转矩和定子磁链作为控制对象，求取输出电压分量usq和usd，步骤四、根据电压分量usq和usd得到参考电压矢量判断电压矢量us*所在扇区，以位于该扇区中的重构得到的有效电压矢量以及零矢量作为备选电压矢量。选取评价函数将备选电压矢量带入评价函数G，通过使得评价函数G最小，选择出最终的输出电压矢量ui。进一步，本专利技术的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，还具有这样的特征：步骤一中，重构出的六个电压矢量在坐标平面对称分布，依次相差60°，且幅值相等，六个电压矢量将坐标平面平分为六个扇区，分别为扇区Ⅰ、扇区Ⅱ、扇区Ⅲ、扇区Ⅳ、扇区Ⅴ、扇区Ⅵ。进一步，本专利技术的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，还具有这样的特征：其中，扇区Ⅰ的范围是(-π/6，π/6)；扇区Ⅱ的范围是(π/6，π/2)，扇区Ⅲ的范围是(π/2，5π/6)，扇区Ⅳ的范围是(5π/6，7π/6)，扇区Ⅴ的范围是(7π/6，3π/2)，扇区Ⅵ的范围是(3π/2，11π/6)。进一步，本专利技术的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，还具有这样的特征：步骤二中，通过转速传感器获取永磁同步电机位置θr，求得电机转速ωr，以给定转速ωr*和反馈转速ωr作为速度滑模控制器的输入，速度滑模控制器的输出为参考转矩进一步，本专利技术的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，还具有这样的特征：其中，所述参考转矩的计算公式如下：其中，c、ε和k是系数，B是摩擦系数，J是转动惯量，状态变量x1和x2表示为s＝cx1+x2,c＞0fal(s,α,δ)函数表示为进一步，本专利技术的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，还具有这样的特征：步骤三中，其中，isd，isq，ψsd，ψsq分别是两相同步旋转dq坐标系下的定子电压、电流和磁链分量，Rs是定子电阻，Ld和Lq分别是dq轴电感，ω是转子电角速度，np是电机极对数，Ts是控制周期。专利技术的有益效果本专利技术通过对三相四开关逆变器输出的四个不平衡电压矢量进行组合作用，得到在坐标平面对称分布的六个平衡的基本电压矢量，达到模拟三相六开关逆变器运行的功能，更利于对永磁同步电机进行控制。以转矩和定子磁链为控制目标，求取出参考电压矢量，选取评价函数，以误差最小为原则得到输出电压矢量，以达到对转矩精确控制的效果，提升电机控制系统的运行性能。附图说明图1是本专利技术适用的三相四开关驱动永磁同步电机调速系统结构图，图2是三相四开关逆变器基本电压矢量示意图，图3是等效电压矢量图，图4是本专利技术永磁同步电机控制系统原理框图具体实施方式以下结合附图来说明本专利技术的具体实施方式。图1为本专利技术专利所实施的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机调速系统的功率主回路结构图。如图1所示，电机的B相和C相连接到逆变器的两相正常桥臂上，A相连接到直流电容中性点。以Sx(x＝B、C)表示B、C两相桥臂上功率开关管的开关状态，Sx＝1时桥臂上管导通下管关断，Sx＝0时桥臂下管导通上管关断。两相桥臂上的四只开关管共有四种开关状态，可以得到四个基本的电压矢量V1、V2、V3和V4。如图2所示为三相四开关逆变器的四个基本电压矢量示意图，四个电压矢量在坐标平面上的分布呈现出不对称的特性。其中，电压矢量V1和V3的幅值为电压矢量V2和V4的幅值为且它们在平面上依次相差90°。通过三相四开关逆变器的四个不平衡的电压矢量组合作用，重构出六个在平面上呈对称分布的电压矢量，可以等效为三相六开关逆变器所产生的基本电压矢量。具体过程如下：连续作用两次电压矢量V1，以产生电压矢量V11。连续作用两次电压矢量V3，以产生电压矢量V33。电压矢量V11和V33的幅值是方向分别与电压矢量V1和V3相同。以电压矢量Vij表示两个连续的电压矢量Vi和Vj的合成，其中1≤i≤4，1≤j≤4，且i≠j。由于四个基本电压矢量在平面上呈相差90°分布，那么电压矢量Vij的幅值为所重构出的四个电压矢量V12、V23、V34和V41，它们的幅值为电压矢量V12表示依次作用电压矢量V1和V2，电压矢量V23表示依次作用电压矢量V2和V3，电压矢量V34表示依次作用电压矢量V3和V4，电压矢量V41表示依次作用电压矢量V4和V1。重构出的电压矢量V11、V33、V12、V23、V34和V41的幅值相同，均为且在平面上依次相差60°分布，可以等效为三相六开关逆变器产生的6个有效电压矢量。此外，依次作用电压矢量V1和V3以及V2和V4可以产生零电压矢量。如图3所示，为重构后产生的等效电压矢量图，与此同时坐标平面平分为6个扇区，分别是扇区Ⅰ、扇区Ⅱ、扇区Ⅲ、扇区Ⅳ、扇区Ⅴ、扇区Ⅵ，其中：扇区Ⅰ的范围是(-π/6，π/6)；扇区Ⅱ的范围是(π/6，π/2)，扇区Ⅲ的范围是(π/2，5π/6)，扇区Ⅳ的范围是(5π/6，7π/6)，扇区Ⅴ的范围是(7π/6，3π/2)，扇区Ⅵ的范围是(3π/2，11π/6)。永磁同步电机在两相旋转dq轴坐标系上的电压方程关系式表示如下：usd＝Rsisd+pψsd-ωψsq(2)usq＝Rsisq+pψsq+ωψsd(3)机械运动方程关系式表示如下：定子磁链关系式表示如下：ψsd＝Ldisd+ψr(5)ψsq＝Lqisq(6)转矩方程关系式表示如下：其中，usd，usq，isd，isq，ψsd，ψsq分别是两相同步旋转dq坐标系下的定子电压、电流和磁链分量，Rs是定子电阻，Ld和Lq分别是dq轴电感，ω是转子电角速度，ωr本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，其特征在于，包括：步骤一、利用三相四开关逆变器产生的四个不平衡电压矢量，重构出在坐标平面对称分布的六个基本电压矢量以及零电压矢量，步骤二、获取永磁同步电机位置，并计算得到电机转速，通过滑模速度控制器得到参考转矩给定值

【技术特征摘要】
1.一种三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，其特征在于，包括：步骤一、利用三相四开关逆变器产生的四个不平衡电压矢量，重构出在坐标平面对称分布的六个基本电压矢量以及零电压矢量，步骤二、获取永磁同步电机位置，并计算得到电机转速，通过滑模速度控制器得到参考转矩给定值步骤三、获取永磁同步电机三相电流，并计算得到电机定子磁链和反馈转矩，以电机转矩和定子磁链作为控制对象，求取输出电压分量usq和usd，步骤四、根据电压分量usq和usd得到参考电压矢量判断电压矢量所在扇区，以位于该扇区中的重构得到的有效电压矢量以及零矢量作为备选电压矢量，选取评价函数将备选电压矢量带入评价函数G，通过使得评价函数G最小，选择出最终的输出电压矢量ui。2.如权利要求1所述的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，其特征在于：步骤一中，重构出的六个电压矢量在坐标平面对称分布，依次相差60°，且幅值相等，六个电压矢量将坐标平面平分为六个扇区，分别为扇区Ⅰ、扇区Ⅱ、扇区Ⅲ、扇区Ⅳ、扇区Ⅴ、扇区Ⅵ。3.如权利要求2所述的三相四开关永磁同步电机调速系统的直接转矩控制方法，其特征在于：其中，扇区...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁博文，周凤星，卢少武，严保康，马娅婕，但峰，胡轶，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42