一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法，该方法首先依据电机数学模型预测电机状态，从而弥补数字控制器所产生的一拍滞后问题；然后将给定转矩与电机实际转矩之差经PI调节器输出定子磁链矢量在一个控制周期中的旋转角度，并结合给定定子磁链幅值生成参考定子磁链矢量，利用电机定子电压方程求解参考电压矢量；最后根据参考电压矢量相位角确定候选电压矢量，并计算其最优占空比，从而确定施加在电机绕组两端的等效电压矢量。本发明专利技术控制方法操作简单，计算量小，开关频率低，鲁棒性较好，同时可以有效抑制电机转矩脉动。

A New Direct Torque Control Method for Three-phase Asynchronous Motor

【技术实现步骤摘要】
一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法
本专利技术涉及一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法，属于电机直接转矩控制

技术介绍
传统基于查表法的直接转矩控制技术因动态响应快、操作简单以及开关频率较低而被广泛应用在交流调速领域，但转矩脉动大这一缺点在一定程度上限制了该技术的进一步推广，为此众多科研人员就如何减小传统基于查表法的直接转矩控制方案中的转矩脉动做了大量研究，典型做法是以单个控制周期内最小转矩脉动为目标求解电压矢量的占空比，但该方法计算复杂。此外模型预测直接转矩控制、无差拍直接转矩控制等方案也可以有效减小电机转矩脉动，但是模型预测直接转矩控制中存在权重系数和滚动优化过程，系统参数调试繁琐，计算量大；无差拍直接转矩控制对电机数学模型的准确性依赖性较强，计算量大，系统鲁棒性较差。因此，寻找一种实现简单，计算量小，开关频率低，鲁棒性较好，且可以有效抑制电机转矩脉动的新型直接转矩控制方法具有十分重要的工程意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法，该方法能够有效抑制转矩脉动，且实现简单、计算量小、开关频率低、鲁棒性较好。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法，包括如下步骤：步骤1，令k表示当前采样时刻，k+1表示下一采样时刻，k+2表示下下一采样时刻，依次类推；k至k+1区间表示当前控制周期，k+1至k+2区间表示下一控制周期，依次类推；步骤2，电机给定转速为ω*，利用编码器测量电机实际转速ω，将ω*与ω之差经比例-积分调节器输出给定转矩取电机定子额定磁链作为参考定子磁链幅值|ψs|*；步骤3，采用全阶磁链观测器估计当前采样时刻定子磁链矢量利用预测下一采样时刻电机定子电流矢量和定子磁链矢量步骤4，根据下一采样时刻电机定子电流矢量和定子磁链矢量预测下一采样时刻电机输出转矩步骤5，将给定转矩与下一采样时刻电机输出转矩之差经比例-积分调节器输出下一控制周期中定子磁链矢量需要旋转的角度Δθ，并计算参考定子磁链矢量和参考电压矢量步骤6，根据参考电压矢量的相位角确定候选电压矢量具体如下：当或者时，当时，当时，当时，当时，当时，其中，Udc表示逆变器直流母线两端电压。步骤7，计算候选电压矢量最优占空比D，从而确定下一控制周期施加在电机绕组两端的等效电压矢量作为本专利技术的一种优选方案，步骤3所述利用预测下一采样时刻电机定子电流矢量和定子磁链矢量具体公式为：其中，为当前采样时刻定子磁链矢量，Lm为定转子互感，Ls为定子自感，Lr为转子自感，Rs为定子电阻，Rr为转子电阻，Ts为系统控制周期，j为复数算子。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4所述下一采样时刻电机输出转矩预测公式为：其中，分别表示下一采样时刻电机定子电流矢量、定子磁链矢量，表示两个矢量间的叉乘，p表示电机极对数。作为本专利技术的一种优选方案，步骤5所述参考定子磁链矢量和参考电压矢量计算公式为：其中，|ψs|*为参考定子磁链幅值，Δθ为下一控制周期中定子磁链矢量需要旋转的角度，分别表示下一采样时刻电机定子电流矢量、定子磁链矢量，表示的相位角，Rs为定子电阻，Ts为系统控制周期，j为复数算子。作为本专利技术的一种优选方案，步骤7所述候选电压矢量最优占空比D，计算公式为：其中，表示参考电压矢量，⊙表示两个矢量间的点乘，Udc表示逆变器直流母线两端电压。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术采用PI调节器控制定子磁链矢量在单个控制周期中旋转的角度，计算量小，对电机数学模型准确度依赖性较低，系统鲁棒性较好；根据参考电压矢量相位角确定候选电压矢量，计算其最优占空比，确定下一控制周期施加在电机绕组两端的等效电压矢量，此方案实现简单，计算量小，开关频率低，鲁棒性较好，且可以有效抑制电机转矩脉动。附图说明图1是本专利技术一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法的数字实现中采用的时序逻辑图。图2是本专利技术一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法的控制框图。图3是本专利技术一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法中根据确定候选电压矢量的解释说明图。图4是本专利技术一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法中优化占空比D的示意图。图5是采用传统查表法直接转矩控制时电机输出转矩波形。图6是采用本专利技术一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法时电机输出转矩波形。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。如图1所示，是本专利技术一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法的数字实现中采用的时序逻辑图，k-1处表示上一采样时刻，k处表示当前采样时刻，k+1处表示下一采样时刻，以此类推；k-1至k区间表示上一控制周期，k至k+1区间表示当前控制周期，以此类推；在k处，控制系统采用全阶磁链观测器估计当前采样时刻电机定子磁链矢量并根据当前采样时刻定子电流矢量以及当前控制周期施加在电机绕组两端的等效电压矢量预测下一采样时刻即k+1处电机定子磁链矢量和输出转矩Tek+1。如图2所示，为本专利技术一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法的控制框图，其具体实施过程解释如下：过程1：采用全阶磁链观测器估计当前采样时刻定子磁链矢量过程2：给定电机转速为ω*，利用编码器测量电机实际转速ω，将ω*与ω之差经比例-积分(PI)调节器输出给定转矩取电机定子额定磁链作为参考定子磁链幅值|ψs|*。过程3：记当前采样时刻定子磁链矢量为根据公式(1)、(2)预测下一采样时刻电机定子电流矢量和定子磁链矢量。过程4：根据公式(3)预测预测下一采样时刻电机输出转矩过程5：将与之差经比例-积分(PI)调节器输出下一控制周期中定子磁链矢量需要旋转的角度Δθ，后根据公式(4)计算参考定子磁链矢量再由公式(5)计算参考定子电压矢量过程6：确认候选电压矢量记相位角为当或者时，当时，当时，当时，当时，当时，Udc表示逆变器直流母线两端电压。过程7：根据公式(6)计算最优占空比D，从而确定下一控制周期施加在电机绕组两端的等效电压矢量此时⊙表示两个矢量间的点乘。如图3所示，是本专利技术一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法的所述根据确定候选电压矢量的解释说明图。以满足条件或者为例；现将电压矢量分别记为u1、u2、u3、u4、u5、u6，则最小值为最小值为最小值为最小值为最小值为最小值为由于同时小于因此当或者时，取同理可对其他取值范围做类似推导，最终得出以下结论：当或者时，当时，当时，当时，当时，当时，Udc表示逆变器直流母线两端电压。如图4所示，是本专利技术一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法的所述计算最优占空比D的示意图。记起点为O，终点为A；记起点为O，终点为B；记起点为O，终点为C；当D取值在0到1之间变化时，C点将在线段OB上运动，当且仅当线段AC垂直于线段OB时，AC长度最短，此时也达到最小值；根据几何学可知，化简可得图5是采用传统查表法直接转矩控制时电机输出转矩波形，可以发现无论是在空载还是带载工况下，转矩脉动大。图6是采用本专利技术一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法时电机输出转矩波形，可以发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，令k表示当前采样时刻，k+1表示下一采样时刻，k+2表示下下一采样时刻，依次类推；k至k+1区间表示当前控制周期，k+1至k+2区间表示下一控制周期，依次类推；步骤2，电机给定转速为ω

【技术特征摘要】
1.一种用于三相异步电机的新型直接转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，令k表示当前采样时刻，k+1表示下一采样时刻，k+2表示下下一采样时刻，依次类推；k至k+1区间表示当前控制周期，k+1至k+2区间表示下一控制周期，依次类推；步骤2，电机给定转速为ω*，利用编码器测量电机实际转速ω，将ω*与ω之差经比例-积分调节器输出给定转矩取电机定子额定磁链作为参考定子磁链幅值|ψs|*；步骤3，采用全阶磁链观测器估计当前采样时刻定子磁链矢量利用预测下一采样时刻电机定子电流矢量和定子磁链矢量步骤4，根据下一采样时刻电机定子电流矢量和定子磁链矢量预测下一采样时刻电机输出转矩步骤5，将给定转矩与下一采样时刻电机输出转矩之差经比例-积分调节器输出下一控制周期中定子磁链矢量需要旋转的角度Δθ，并计算参考定子磁链矢量和参考电压矢量步骤6，根据参考电压矢量的相位角确定候选电压矢量具体如下：当或者时，当时，当时，当时，当时，当时，其中，Udc表示逆变器直流母线两端电压。步骤7，计算候选电压矢量最优占空比D，从而确定下一控制周期施加在电机绕组两端的等效电压矢量2.根据权利要求1所述用于三相异步电机的新...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴旭，黄文新，林晓刚，李根，朱山峰，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32