基于飞跨电容的永磁游标电机单位功率因数直接转矩控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于飞跨电容的永磁游标电机单位功率因数直接转矩控制方法。采集信息获得电机磁链与电机转矩；磁链幅值参考值由最大转矩每安培理论得到；电容器组电压采样后反馈至电容比例积分控制器，用以计算充电电压参考值；采用矢量调制型直接转矩控制方法得到参考电压矢量；利用瞬时功率理论解耦所得参考电压矢量，将有功电压分配至电源逆变器，配合电容逆变器合成所需参考电压矢量。本发明专利技术能够使得电源逆变器仅提供电机运行所需有功功率，其余无功功率由电容逆变器提供，电机系统运行于单位功率因数状态，并能够减小转矩和磁链脉动，固定开关频率，降低电磁噪声，实现永磁游标电机的高性能控制。

Permanent Magnet Vernier Motor Unit Power Factor Direct Torque Control Method Based on Flying Capacitance

The invention discloses a unit power factor direct torque control method of permanent magnet vernier motor based on flying capacitance. The information is collected to obtain the motor flux and motor torque; the reference value of flux amplitude is obtained from the maximum torque per ampere theory; the voltage of capacitor bank is sampled and fed back to the capacitor proportional integral controller for calculating the reference value of charging voltage; the reference voltage vector is obtained by using vector modulation direct torque control method; and the reference voltage vector obtained by decoupling instantaneous power theory is used to decouple the reference voltage vector, which will be active. Voltage is distributed to the power supply inverters, and the reference voltage vector is synthesized with capacitor inverters. The invention can make the power supply inverter provide only the active power required by the motor, and the other reactive power is provided by the capacitor inverter. The motor system runs in the state of unit power factor, and can reduce the torque and flux ripple, fix the switching frequency, reduce the electromagnetic noise, and realize the high-performance control of the permanent magnet vernier motor.

【技术实现步骤摘要】
基于飞跨电容的永磁游标电机单位功率因数直接转矩控制方法
本专利技术涉及永磁游标电机领域，尤其涉及一种飞跨电容开绕组直接转矩控制领域，具体是一种开绕组单位功率因数直接转矩控制，有利于提高永磁游标电机功率因数，改善电机的控制性能。
技术介绍
随着电动汽车、风力发电、海浪发电等高新技术的快速发展，如何提升其中电机系统的可靠性和能量转换的效率已成为了这些领域中的热点问题。在此技术背景下，一种永磁游标电机，以其高的转矩密度和结构简单的特点，被广泛认为在直接驱动系统中具有广阔的应用前景。但是，传统永磁游标电机的漏磁较大，功率因数较低，往往需要配备较大容量的逆变器，这无疑会增加系统的成本。因此，功率因数的提高对降低系统的无功功率和提高驱动系统的效率至关重要。另一方面，由于功率器件的电压容量和载流能力有限，单个两电平逆变器难以满足高压，大功率应用需求。相比传统两电平逆变器，多电平逆变器具有电磁噪声低，谐波电压小等优点，已成功应用于高压、大功率和高可靠性领域。作为多电平逆变器的一种，开绕组驱动系统将Y型定子绕组的中性点打开，六个绕组端子分别连接到两个标准两电平逆变器。如果开绕组驱动系统中的一个逆变器由飞跨电容供电，不仅结构简化，成本降低，并且恒功率调速范围可以超过单个逆变器的最大调速范围。直接转矩控制由于控制结构简单，响应迅速而被广泛使用。传统的直接转矩控制采用滞环比较器和开关表，以获得快速的动态响应和良好的鲁棒性，但却带来转矩和磁链脉动，不固定的开关频率以及电磁噪声。空间矢量脉冲宽度调制型直接转矩控制具有许多优点，例如，更好的直流电压利用率，更低的转矩脉动，并且更容易在数字驱动器中实现，因此更适用于高可靠性需求领域。
技术实现思路
本专利技术针对永磁游标电机功率因数低的问题，利用瞬时功率理论解耦电机所需功率流，全部无功功率由电容器组提供，使电机系统在单位功率因数状态下运行，从而获得更高电压利用率。并通过空间矢量调制型直接转矩控制策略，减小转矩和磁链脉动，获得固定的开关频率，降低电磁噪声。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于飞跨电容的永磁游标电机单位功率因数直接转矩控制方法，包括以下步骤：构建被控系统：被控系统由永磁游标电机与两套逆变器组成；采集位置传感器信息，获得电机速度和位置；采集电流传感器信息，获得电机各相电流，进行坐标变换后，计算获得电机磁链与电机转矩；将电机实际速度与给定速度比较，比较差值送入速度PI控制器以获得电机运行所需的参考转矩，利用最大转矩电流比理论，计算获得参考磁链幅值；将估算的电机转矩与参考转矩比较，差值送入PI控制器以获得参考转矩角变化值；利用控制器得到的参考定子磁链ψs*与参考转矩角变化值Δδ，以及采样得到的电机位置、磁链等信息，进行矢量调制型直接转矩控制，计算获得电机运行时所需的电压矢量；采集电容器组电压，与电容电压给定值比较，将差值送入电容PI控制器，得到电容充电参考电压ucpi；利用瞬时功率理论，对电机运行所需功率进行解耦，重新分配有功功率与无功功率，结合电容充电参考电压ucpi分别计算获得两个逆变器的参考电压矢量；将计算获得的两套逆变器的参考电压矢量，利用SVPWM技术，获得两套逆变器各个功率器件的占空比，将正确电压作用在电机上。进一步，两套逆变器分别由直流电源和电容器组供电，称为主逆变器与电容逆变器。进一步，计算获得电机定子磁链与电机转矩具体过程为：将电机三相电流ia,ib,ic经过Clark坐标变换，变换到两相静止坐标系下，以获得该坐标系下电机αβ轴电流iα,iβ；定子磁链的幅值ψs通过以下表达式计算获得：其中ψα,ψβ分别为电机αβ轴磁链；获得电机αβ轴电流与磁链后，可以在该坐标系下对电机转矩Te进行估算，具体计算方法如下：Te＝(3p/2)·(ψαiβ-ψβiα)其中p为电机极对数。进一步，电机运行所需参考定子磁链ψs*幅值根据开绕组的最大转矩电流比理论计算得到，具体包含参考转矩Te*的表达式如下：其中ψf为电机永磁磁链幅值，Lq为电机q轴电感参数。进一步，进行矢量调制型直接转矩控制，计算获得电机运行时所需的电压矢量的计算公式为：其中Δψα,Δψβ为磁链变换量，θs为电机位置，Ts为控制系统采样周期，Rs为电机电阻参数；ψs为定子磁链的幅值。进一步，利用瞬时功率理论，对电机运行所需功率进行解耦的具体过程为：将电机所需功率正确解耦，控制主逆变器提供电机运行所需全部有功功率，同时控制电容逆变器补偿电机无功功率，瞬时功率分配原理如下：由于两个逆变器母线隔离，不存在零序电流问题，所以根据瞬时功率理论，可以求出瞬时实功率p与瞬时虚功率q：对上式两边乘以电流矩阵的逆矩阵，得到αβ轴电压uα,uβ作为电流和功率的函数如下：因此定义α轴上的瞬时有功电压uαp与β轴上的瞬时有功电压uβp：通过上述原理，将αβ轴电压参考矢量uα*，uβ*分解为有功部分与无功部分，因此主逆变器的参考电压矢量u*MIα,u*MIβ计算方法如下：进一步，计算获得两个逆变器的参考电压矢量具体过程为：电容电压控制使用较低的直流母线电压将电容电压充电至一个更高的电压等级，并引入PI控制器对电容电压进行电压控制；电容电压反馈经过比例积分控制器后，得到电容充电参考电压值ucpi，根据瞬时功率理论，该电压应通过主逆变器充入电容器组，得出考虑电容电压控制后主逆变器的参考电压矢量计算方法：其中，u*MIα’，u*MIβ’为考虑电容电压控制后，最终主逆变器的参考电压；结合开绕组电压矢量计算公式，求出电容逆变器的参考电压矢量u*CIα,u*CIβ：本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过利用瞬时功率理论，解耦电机所需功率流，实现电机系统单位功率因数控制，降低主逆变器与直流电源的无功压力，提高驱动系统的功率因数与效率；2、采用矢量控制改进型直接转矩控制方法，固定了开关频率，降低了转矩与磁链脉动。3、本专利技术所提出的控制方法，可以满足电动汽车、风力发电、海浪发电等高新
高精度运行的要求，提高永磁游标电机在上述领域的地位。附图说明图1为基于飞跨电容的永磁游标电机单位功率因数直接转矩控制框图；图2为开绕组拓扑下电压矢量分布图；图3为基于电流模型的定子磁链估算框图；图4为系统功率流示意图；图5为定子磁链轨迹波形图；图6为电机电压电流相位关系图。具体实现方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。如图1结构框图所示，本专利技术是基于飞跨电容的永磁游标电机单位功率因数直接转矩控制，主要包括瞬时功率解耦分配策略和矢量调制型直接转矩控制方法，其具体措施如下：1、构建被控系统：被控系统由永磁游标电机与两套逆变器组成。本专利技术控制对象为开绕组永磁游标电机，即将电机原本星型连接的中性点打开，绕组两端分别连接至两套标准两电平逆变器，两套逆变器分别由直流电源和电容器组供电，称为主逆变器(MI)与电容逆变器(CI)。2、采集位置传感器信息，获得电机速度和位置；采集电流传感器信息，获得电机各相电流，进行坐标变换后，计算获得电机磁链与转矩。将电机三相电流ia,ib,ic经过Clark坐标变换，变换到两相静止坐标系下，以获得该坐标系下电机电流iα,iβ。具体坐标变换矩阵如下：由于在低速工况电机电阻发生变化时，可能导致模型参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于飞跨电容的永磁游标电机单位功率因数直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：构建被控系统：被控系统由永磁游标电机与两套逆变器组成；采集位置传感器信息，获得电机速度和位置；采集电流传感器信息，获得电机各相电流，进行坐标变换后，计算获得电机磁链与电机转矩；将电机实际速度与给定速度比较，比较差值送入速度PI控制器以获得电机运行所需的参考转矩，利用最大转矩电流比理论，计算获得参考磁链幅值；将估算的电机转矩与参考转矩比较，差值送入PI控制器以获得参考转矩角变化值；利用控制器得到的参考定子磁链ψs*与参考转矩角变化值Δδ，以及采样得到的电机位置、磁链等信息，进行矢量调制型直接转矩控制，计算获得电机运行时所需的电压矢量；采集电容器组电压，与电容电压给定值比较，将差值送入电容PI控制器，得到电容充电参考电压ucpi；利用瞬时功率理论，对电机运行所需功率进行解耦，重新分配有功功率与无功功率，结合电容充电参考电压ucpi分别计算获得两个逆变器的参考电压矢量；将计算获得的两套逆变器的参考电压矢量，利用SVPWM技术，获得两套逆变器各个功率器件的占空比，将正确电压作用在电机上。

【技术特征摘要】
1.一种基于飞跨电容的永磁游标电机单位功率因数直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：构建被控系统：被控系统由永磁游标电机与两套逆变器组成；采集位置传感器信息，获得电机速度和位置；采集电流传感器信息，获得电机各相电流，进行坐标变换后，计算获得电机磁链与电机转矩；将电机实际速度与给定速度比较，比较差值送入速度PI控制器以获得电机运行所需的参考转矩，利用最大转矩电流比理论，计算获得参考磁链幅值；将估算的电机转矩与参考转矩比较，差值送入PI控制器以获得参考转矩角变化值；利用控制器得到的参考定子磁链ψs*与参考转矩角变化值Δδ，以及采样得到的电机位置、磁链等信息，进行矢量调制型直接转矩控制，计算获得电机运行时所需的电压矢量；采集电容器组电压，与电容电压给定值比较，将差值送入电容PI控制器，得到电容充电参考电压ucpi；利用瞬时功率理论，对电机运行所需功率进行解耦，重新分配有功功率与无功功率，结合电容充电参考电压ucpi分别计算获得两个逆变器的参考电压矢量；将计算获得的两套逆变器的参考电压矢量，利用SVPWM技术，获得两套逆变器各个功率器件的占空比，将正确电压作用在电机上。2.根据权利要求1所述的基于飞跨电容的永磁游标电机单位功率因数直接转矩控制方法，其特征在于，两套逆变器分别由直流电源和电容器组供电，称为主逆变器与电容逆变器。3.根据权利要求1所述的基于飞跨电容的永磁游标电机单位功率因数直接转矩控制方法，其特征在于，计算获得电机定子磁链与电机转矩具体过程为：将电机三相电流ia,ib,ic经过Clark坐标变换，变换到两相静止坐标系下，以获得该坐标系下电机αβ轴电流iα,iβ；定子磁链的幅值ψs通过以下表达式计算获得：其中ψα,ψβ分别为电机αβ轴磁链；获得电机αβ轴电流与磁链后，可以在该坐标系下对电机转矩Te进行估算，具体计算方法如下：Te＝(3p/2)·(ψαiβ-ψβiα)其中p为电机极对数。4.根据权利要求1所述的基于飞跨电容的永磁游标电机单位功率因数直接转矩控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文祥，成瑀，赵鹏，杜育轩，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32