一种直流偏置型交流电机的直接转矩控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种直流偏置型交流电机的直接转矩控制方法及装置，属于交流电机驱动与控制领域。通过对直流偏置型交流电机数学模型的理论分析，充分考虑电机电感饱和特性，设计具有鲁棒性的反馈线性控制器，对电机的转矩、磁链和零轴电流进行控制，提高转矩动态响应速度，降低转矩脉动，提高直流偏置型交流电机的运行效率。运行效率。运行效率。

【技术实现步骤摘要】
一种直流偏置型交流电机的直接转矩控制方法及装置


[0001]本专利技术属于交流电机驱动与控制领域，更具体地，涉及一种直流偏置型交流电机的直接转矩控制方法及装置。

技术介绍

[0002]直流偏置型交流电机具有双凸极结构和定子集中绕组结构，具有结构简单可靠，成本低廉，损耗小的特点，近年来受到国内外的广泛关注。直流偏置型交流电机的相电感由直流分量和交流分量组成，并且绕组之间不存在互感。图1为直流偏置型交流电机的典型相电流波形。通过向电机相电流注入交流分量，可以产生定子磁场，向电机相电流中注入直流偏置分量，可以产生转子磁场。两种磁场相互作用将产生电磁转矩，驱动电机旋转。通过灵活改变相电流中直流偏置分量的大小，可以调节电机转子磁场的大小，因此这种电机具有优秀的调速性能。
[0003]图2为直流偏置型交流电机控制系统的主电路结构图。直流偏置型交流电机在使用传统直接转矩控制策略时，根据转速误差信号产生转矩指令信号，通过最大转矩电流比控制策略将转矩指令信号转换成磁链指令信号和零序电流指令信号。将转矩误差信号、磁链误差信号和零轴电流误差信号分别输入三个PI控制器，产生对应的电压矢量施加再电机绕组两端。这种控制方法需要根据静止两相坐标系下的磁链计算磁链矢量角度，使得电机低速运行时转矩波动较大。此外，使用PI控制器限制了转矩动态响应速度。
[0004]对于直流偏置型交流电机，当负载发生变化时，电感会出现明显的饱和特性，电机相电感的直流分量和交流分量都会减小。传统的直接转矩控制策略忽略了电感饱和特性，其动态响应速度和稳态性能都较差。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种直流偏置型交流电机的直接转矩控制方法及装置，其目的在于在不改变控制系统硬件结构前提下，通过对直流偏置型交流电机数学模型的理论分析，充分考虑电机电感饱和特性，设计具有鲁棒性的反馈线性控制器，对电机的转矩、磁链和零轴电流进行控制，提高转矩动态响应速度，降低转矩脉动，提高直流偏置型交流电机的运行效率。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种直流偏置型交流电机的直接转矩控制方法，包括：
[0007](1)根据接收到的电机转速给定值ω
r*
与电机转速反馈值ω
r
的差值，输出转矩给定值通过调节转矩给定值使得电机转速反馈值ω
r
，始终跟随电机转速给定值ω
r*
的变化；
[0008](2)根据电机转矩给定值，按照最大转矩电流比控制策略，通过磁链电流分配器，获得电机定子磁链给定值的平方λ
*
和零轴电流给定值I
0*
；
[0009](3)根据转矩反馈值T
e
与电机转矩给定值T
e*
的差值E
T
、电机定子磁链反馈值的平
方λ与电机定子磁链给定值的平方λ
*
的差值E
λ
和零轴电流反馈值I0与零轴电流给定值I
0*
的差值E
i0
，和比例矩阵K，得到第一变化率矩阵U1＝K[E
T
E
λ
E
i0
]T
；
[0010](4)根据电机转矩指令变化率磁链指令平方的变化率零轴电流指令的变化率电角速度ω
e
，d轴磁链ψ
d
，q轴磁链ψ
q
，d轴电流I
d
，q轴电流I
q
，0轴电流I0，直流电感L
s
和交流电感L0，得到第二变化率矩阵U2，可以表示为
[0011][0012](5)根据d轴磁链ψ
d
，q轴磁链ψ
q
，d轴电流I
d
，q轴电流I
q
，0轴电流I0，直流电感L
s
和交流电感L0，得到转换矩阵g(X)；
[0013](6)根据第一变化率矩阵U1、第二变化率矩阵U2和转换矩阵g(X)，得到同步旋转坐标系下的电压指令矩阵U
ref
＝[V
d V
q V0]T
；
[0014](7)根据电压指令矩阵U
ref
得到相位滞后于电压指令矩阵对应的合成电压矢量30度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量U
ref1
＝[u
d1 u
q1 u
01
]T
；根据电压指令矩阵U
ref
得到相位滞后于电压指令矩阵对应的合成电压矢量150度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量U
ref2
＝[u
d2 u
q2 u
02
]T
；
[0015](8)对电压矢量U
ref1
进行空间矢量脉宽调制，产生A1、B1、C1相PWM信号PWM1
‑
6，通过第一逆变器得到第一电压；对电压矢量U
ref2
进行空间矢量脉宽调制，产生A2、B2、C2相PWM信号PWM7
‑
12，通过第二逆变器得到第二电压；
[0016](9)将第一电压和第二电压输入直流偏置型交流电机，产生带直流偏置的正弦电流信号，实现直流偏置交流电机的直接转矩控制。
[0017]进一步地，直流偏置型交流电机的转矩变化率、磁链平方的变化率和零轴电流的变化率可以表示为：
[0018][0019][0020][0021]其中R
s
为电机相电阻，k1，k2，k3，k4分别表示为：
[0022][0023]其中p为直流偏置型交流电机的转子极对数。
[0024]进一步地，直流偏置型交流电机状态方程可以表示为：
[0025][0026]其中
[0027]X＝[T
e λ i0]T
,U
ref
＝[V
d V
q V0]T
[0028][0029][0030]系统的状态变量指令值可以表示为：
[0031][0032]系统的误差向量可以表示为：
[0033][0034]比例矩阵K可以表示为：
[0035][0036]其中，ρ1，ρ2，ρ3为正系数。
[0037]进一步地，反馈线性控制器的输出可以表示为：
[0038][0039]上述控制器中包含直流偏置型交流电机的相电感直流分量和交流分量，当电机负载发生变化时，电机相电感也会发生饱和，从而引起参数变化。反馈线性控制器充分考虑了电机饱和特性，根据负载变化，同步调整输出电压，实现电机转矩精准控制。
[0040]进一步地，所提出的反馈线性控制器的稳定性可以证明如下：
[0041]定义李雅普诺夫方程V(X
err
)为：
[0042][0043]李雅普诺夫方程V(X
err
)对时间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直流偏置型交流电机的直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过调节转矩给定值使得电机转速反馈值ω
r
始终跟随电机转速给定值ω
r*
的变化；(2)根据转矩给定值T
e*
，按照最大转矩电流比控制，获得电机定子磁链给定值的平方λ
*
和零轴电流给定值I
0*
；(3)根据转矩反馈值T
e
与电机转矩给定值T
e*
的差值E
T
、电机定子磁链反馈值的平方λ与电机定子磁链给定值的平方λ
*
的差值E
λ
和零轴电流反馈值I0与零轴电流给定值I
0*
的差值E
i0
，和比例矩阵K，得到第一变化率矩阵U1＝K[E
T E
λ E
i0
]
T
；(4)根据电机转矩指令变化率磁链指令平方的变化率零轴电流指令的变化率电角速度ω
e
，d轴磁链ψ
d
，q轴磁链ψ
q
，d轴电流I
d
，q轴电流I
q
，0轴电流I0，直流电感L
s
和交流电感L0，得到第二变化率矩阵U2，表示为(5)根据d轴磁链ψ
d
，q轴磁链ψ
q
，d轴电流I
d
，q轴电流I
q
，0轴电流I0，直流电感L
s
和交流电感L0，得到转换矩阵g(X)；(6)根据第一变化率矩阵U1、第二变化率矩阵U2和转换矩阵g(X)，得到同步旋转坐标系下的电压指令矩阵U
ref
＝[V
d V
q V0]
T
；(7)根据电压指令矩阵U
ref
得到相位滞后于电压指令矩阵对应的合成电压矢量30度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量U
ref1
＝[u
d1 u
q1 u
01
]
T
；根据电压指令矩阵U
ref
得到相位滞后于电压指令矩阵对应的合成电压矢量150度，大小为合成电压矢量倍的电压矢量U
ref2
＝[u
d2 u
q2 u
02
]
T
；(8)对电压矢量U
ref1
进行空间矢量脉宽调制，产生A1、B1、C1相PWM信号PWM1
‑
6，通过第一逆变器得到第一电压；对电压矢量U
ref2
进行空间矢量脉宽调制，产生A2、B2、C2相PWM信号PWM7
‑
12，通过第二逆变器得到第二电压；(9)将第一电压和第二电压输入直流偏置型交流电机，产生带直流偏置的正弦电流信号，实现直流偏置交流电机的直接转矩控制。2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述电机转矩变化率、磁链平方的变化率和零轴电流的变化率可以表示为：
其中R
s
为电机相电阻，k1，k2，k3，k4分别表示为：其中p为直流偏置型交流电机的转子极对数。3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，直流偏置型交流电机状态方程表示为：其中X＝[T
e λ i0]
T
,U
ref
＝[V
d V
q V0]
TT
系统的状态变量指令值表示为：系统的误差向量表示为：比例矩阵K表示为：
其中，ρ1，ρ2，ρ3为正系数。4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，反馈线性控制器的输出表示为：5.一种直流偏置型交流电机的直接转矩控制装置，其特征在于，包括：速度调节器，用于接收电机转速给定值ω
r*
与电机转速反馈值ω
r
的差值，输出转矩给定值最大转矩电流比磁链电流分配器，用于接收输出转矩给定值分配磁链平方的给定值λ
*
和零轴电流的给定...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔武斌，李子旻，曲荣海，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：