具有零序電流自矯正的六相同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有電流自矯正的六相同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法，首先基于零序電流等于0思想進行電壓矢量重構(gòu)，并由此提出理想DTC；其次，基于死區(qū)補償原理對實際電壓矢量作用時間進行離散補償；最后，利用PI調(diào)節(jié)器對電壓矢量作用時間進行連續(xù)補償，實現(xiàn)零序電流等于0目的。本發(fā)明解決了轉(zhuǎn)矩和磁鏈雙滯環(huán)結(jié)構(gòu)的六相對稱繞組永磁電機DTC系統(tǒng)中消除低次諧波電流的難題。
【專利說明】具有零序電流自矯正的六相同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于多相永磁電機驅(qū)動控制領(lǐng)域，涉及一種六相永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控 制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著軍艦及潛艇推進系統(tǒng)、宇航推進系統(tǒng)、電動/混合燃料汽車驅(qū)動、電力機車牽 引等關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)﹄妱訖C驅(qū)動系統(tǒng)可靠性要求愈來愈高，傳統(tǒng)的三相電動機驅(qū)動愈來愈難以 滿足要求，高可靠性的多相電動機驅(qū)動系統(tǒng)日益受到這些領(lǐng)域的青睞和使用。常見的多相 電動機有感應(yīng)電動機和永磁同步電動機之分，其中多相永磁同步電動機具有效率高、響應(yīng) 速率快等優(yōu)點，日益成為多相感應(yīng)電動機的有力競爭者。
[0003] 機車牽引及船舶推進等系統(tǒng)要求應(yīng)用于這些場合的多相電動機驅(qū)動系統(tǒng)具有強 的瞬時轉(zhuǎn)矩控制能力，以獲得高性能的動態(tài)特性。目前應(yīng)用于多相電動機驅(qū)動系統(tǒng)中瞬時 轉(zhuǎn)矩控制策略主要有：磁場定向的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。其中直接轉(zhuǎn)矩控制策略直接 在定子靜止坐標(biāo)系中構(gòu)建定子磁場及電磁轉(zhuǎn)矩控制模型，對電機參數(shù)依賴很少，算法簡潔； 利用逆變器輸出電壓矢量直接控制電磁轉(zhuǎn)矩，具有電磁轉(zhuǎn)矩直接而快速控制優(yōu)點，特別適 用于轉(zhuǎn)矩控制場合。
[0004] 本發(fā)明針對互差60度電角度的六相對稱繞組永磁同步電動機提出一種新型直接 轉(zhuǎn)矩控制策略。六相對稱定子繞組采用星型連接，有5個自由度可以控制，采用直接轉(zhuǎn)矩控 制策略已占用2個自由度，還剩余3個自由度需要控制。所以利用電壓矢量實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和 定子磁鏈高性能的控制時，若剩余的3個自由度缺乏正確有效控制，會帶來直接轉(zhuǎn)矩控制 驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的下降，例如相電流低次諧波分量增大、損耗增大、負載能力降低等。本 發(fā)明控制策略旨在實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩快速控制同時減小零序電流幅值，降低繞組電流中低次諧 波含量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)問題：本發(fā)明提供一種能夠解決偏置60度六相對稱繞組永磁同步電機低次 諧波電流消除問題，不需要另外添加硬件即可實現(xiàn)偏置60度六相對稱繞組永磁同步電機 直接轉(zhuǎn)矩控制，降低了驅(qū)動系統(tǒng)的硬件成本，在同等的電機發(fā)熱條件下提高了有功電流幅 值和電機負載能力的具有零序電流自矯正的六相同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明的具有零序電流自矯正的六相同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法，結(jié) 構(gòu)框圖如圖1所示。本發(fā)明方法利用公式1中T6正交變換矩陣將六相電流ia?if變換為 α β坐標(biāo)中isa is0及零序軸系中iszlisz2isz3i sz4 ;利用公式3、isa isfi、轉(zhuǎn)子磁鏈Ψ?α 及 轉(zhuǎn)子位置角吣計算出定子磁鏈vsa Vse或利用磁鏈觀測器計算出定子磁鏈vsa Vse ;利 用公式4、isaise及Ψ3α 計算電磁轉(zhuǎn)矩T e ;判斷定子磁鏈Ψ3α Vsfi矢量所處圖5α β 平面扇區(qū)編號Gi ;根據(jù)轉(zhuǎn)矩給定<及電磁轉(zhuǎn)矩?；，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出控制轉(zhuǎn)矩的τ 變量；根據(jù)定子磁鏈幅值給定<及實際定子磁鏈幅值I 1，經(jīng)過磁鏈滯環(huán)比較器輸出控制 定子磁鏈幅值的Φ變量；根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩控制變量τ、定子磁鏈幅值控制變量φ及扇區(qū)編 號Θ i，經(jīng)過最優(yōu)開關(guān)矢量表2輸出一組最優(yōu)的六相逆變器開關(guān)組合；根據(jù)實際相電流采樣 值込?、、零序電流isz4計算出各電壓矢量作用時間，通過脈寬調(diào)制模塊將各電壓矢量按照 固定的時序和作用時間作用于電機，以實現(xiàn)零序電流誤差、定子磁鏈幅值誤差及電磁轉(zhuǎn)矩 誤差為〇控制。在采用全數(shù)字控制的驅(qū)動系統(tǒng)中，采用本發(fā)明不需要另外添加硬件，即可實 現(xiàn)偏置60度六相對稱繞組永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制，降低了驅(qū)動系統(tǒng)的硬件成本。
[0007] 本發(fā)明直接轉(zhuǎn)矩控制策略，從消除零序電流、減小相繞組電流低次諧波出發(fā)，基于 矢量重構(gòu)合成原理構(gòu)建出最優(yōu)開關(guān)矢量表2, 一個數(shù)字控制周期Ts內(nèi)，各合成電壓矢量中 第一電壓矢量、第二電壓矢量發(fā)送時序見圖5 ;為了消除逆變器非線性特性對零序電流isz4 控制的不利影響，采用死區(qū)補償及isz4PI閉環(huán)控制方法，實現(xiàn)電壓矢量作用時間的動態(tài)調(diào) 節(jié)，以維持u z4平均值等于0控制效果。
[0008] 本發(fā)明方法包括以下步驟：
[0009] (1)利用公式1的六相正交變換矩陣T6，將a?f六相定子電流ia?i f變換為 α β坐標(biāo)中α軸定子電流isa、0定子電流；^0及零序軸系中的第一零序電流iszl、第二零 序電流i sz2、第三零序電流isz3、第四零序電流iSZ4 :

【權(quán)利要求】
1. 一種具有零序電流自矯正的六相同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其特征在于，該方法 包括以下步驟： (1) 利用公式1的六相正交變換矩陣T6，將a?f?六相定子電流ia?if變換為a @坐 標(biāo)中a軸定子電流isa、0定子電流isfJ及零序軸系中的第一零序電流iszl、第二零序電流 isz2、第三零序電流isz3、第四零序電流isz4 :
其中，ia、ib、i。、id、L、if分別為a?f相電流； (2) 根據(jù)a軸定子電流isa、0定子電流isfJ、a軸轉(zhuǎn)子磁鏈P軸轉(zhuǎn)子磁鏈Vd 及轉(zhuǎn)子位置角L，利用下列公式3計算出a軸定子磁鏈Vsa和P軸定子磁鏈Vse :
其中Lsm = 0. 5 (LdJLtim)，= 0. 5 (Ldm-Lqm)，Ldm為電機相繞組主磁路的直軸電感，Ltp為 電機相繞組主磁路的交軸電感； (3) 判斷定子磁鏈Vsa Vse矢量在合成電壓矢量圖中所處a 0平面扇區(qū)編號0 i，i =1…6 ; (4) 根據(jù)定子磁鏈Vsa Vse及定子磁鏈幅值給定 <，經(jīng)磁鏈滯環(huán)比較器，根據(jù)下式確 定并輸出控制定子磁鏈幅值的變量小：
其中，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時，定子磁鏈幅值給定取額定定子磁鏈；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于額 定轉(zhuǎn)速時，Ws隨轉(zhuǎn)速升高成反比例降低； (5) 根據(jù)a P軸定子電流isaise及a P軸定子磁鏈Vsa Vse，利用下列公式4計算 電磁轉(zhuǎn)矩Te : Te = Pn(vsaisfi-￥s{iisa)(公式 4) 其中Pn為電機磁極對數(shù)； (6) 將所述電磁轉(zhuǎn)矩Te及其給定值.J；M專送給轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，根據(jù)下式確定并輸出控 制電磁轉(zhuǎn)矩變量T :
其中％為轉(zhuǎn)矩滯環(huán)環(huán)寬；若需要速度閉環(huán)，則速度控制器輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩給定值 若需要轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)，則位置控制器輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩給定值r:; (7) 根據(jù)所述控制電磁轉(zhuǎn)矩變量T、控制定子磁鏈幅值的變量Cj5及定子磁鏈Vsa Vs0 矢量所處a 0平面扇區(qū)編號0i，查詢下列最優(yōu)開關(guān)矢量表，獲得一組6相逆變橋最優(yōu)開關(guān) 組合矢量，從而確定出用于重構(gòu)該最優(yōu)開關(guān)組合矢量的第一電壓矢量和第二電壓矢量； 最優(yōu)開關(guān)矢量表
(8) 根據(jù)a?f六相定子電流ia?if、第四零序電流isz4，計算出步驟（7)確定的最優(yōu) 開關(guān)組合矢量中第一電壓矢量在半個數(shù)字控制周期〇. 5TS內(nèi)的作用時間為Tz+A Tz，則該最 優(yōu)開關(guān)組合矢量中第二電壓矢量在半個數(shù)字控制周期內(nèi)的作用時間為〇. 5TS-(TZ+ATZ);
Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，均為大于0的常數(shù)；UD1、U D2、UD3分別為一個數(shù)字控制周 期Ts內(nèi)逆變橋依次出現(xiàn)的三段死區(qū)期間第四零序電壓Usz4值，Td為逆變橋每一段死區(qū)持續(xù) 時間，Uz為一個數(shù)字控制周期Ts內(nèi)輸出第一電壓矢量時第四零序電壓Usz4值； (9) 通過脈寬調(diào)制模塊，按照一個控制周期Ts內(nèi)依次輸出第一電壓矢量、第二電壓矢 量、第一電壓矢量的三段發(fā)矢量時序發(fā)矢量，將所述步驟（8)計算得到的兩個矢量作用時 間作為脈寬調(diào)制模塊各矢量作用時間，最終實現(xiàn)定子磁鏈軌跡圓形情況下，電磁轉(zhuǎn)矩及零 序電流控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有零序電流自矯正的六相同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其 特征在于，所述步驟（3)中的合成電壓矢量圖按照以下方法得到： 以逆變器輸出幅值最長，且依次互差60度電角度的六個基本電壓矢量49、56、28、 14、7、35為基礎(chǔ)，將56、49兩矢量分別作用一半的數(shù)字控制周期合成出新的合成電壓矢量 56/49,將56、28兩矢量分別作用一半的數(shù)字控制周期合成出新的合成電壓矢量56/28,將 28、14兩矢量分別作用一半的數(shù)字控制周期合成出新的合成電壓矢量14/28,將14、7兩矢 量分別作用一半的數(shù)字控制周期合成出新的合成電壓矢量14/7,將7、35兩矢量分別作用 一半的數(shù)字控制周期合成出新的合成電壓矢量35/7,將35、49兩矢量分別作用一半的數(shù)字 控制周期合成出新的合成電壓矢量35/49。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有零序電流自矯正的六相同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方 法，其特征在于，所述步驟（3)中的具體判斷步驟如下： (3. 1)將合成電壓矢量圖中49、56、28、14、7、35六個矢量中相鄰的兩個矢量所夾60度 區(qū)域定義為一個扇區(qū)9 i，i = 1…6,每一個扇區(qū)的中心線剛好處于重構(gòu)電壓矢量上； (3. 2)提取定子磁鏈Vsa Vs0矢量幅角0 s
(3. 3)結(jié)合步驟（3. 1)和步驟（3. 2)的處理結(jié)果，判讀確定定子磁鏈Vsa Vse矢量所 處a 0平面扇區(qū)編號0 it)
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有零序電流自矯正的六相同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方 法，其特征在于，所述步驟（8)中矢量作用時間獲取步驟如下： (8. 1)根據(jù)以下方法確定逆變器三個死區(qū)時間Td每一段死區(qū)期間開關(guān)組合Saz?Sfz : 死區(qū)插入之前發(fā)出的矢量開關(guān)組合為Sal?Sfl，死區(qū)插入之后發(fā)出的矢量開關(guān)組合為S a2? Sf2,若 Sil = Si2,則 Siz = Sil,若 Sil 尹 Si2,且六相定子電流 ii> = 0,則 Siz = 0 ;若 Sil 尹 Si2, 且iZO,貝U Siz = 1,其中下標(biāo)i = a?f ; (8. 2)根據(jù)下式計算出每一個死區(qū)期間第四零序電壓Usz4值UDj，j = 1、2、3 :
(8. 3)根據(jù)下式計算步驟（7)中確定的一個數(shù)字控制周期Ts內(nèi)輸出第一電壓矢量時第 四零序電壓Usz4值Uz :
同時通過PI方法，根據(jù)下式計算得到ATz = -Kpisz4-Ki / isz4dt; (8.5)計算出步驟（7)確定的最優(yōu)開關(guān)組合矢量中第一電壓矢量在半個數(shù)字控制周期 〇. 5TS內(nèi)的作用時間為Tz+A Tz，以及第二電壓矢量在半個數(shù)字控制周期0. 5TS內(nèi)的作用時間 為 0.5TS-(TZ+ATZ)。
【文檔編號】H02P21/13GK104333284SQ201410610713
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】周揚忠, 程明 申請人:東南大學(xué)