一種變電壓矢量的永磁同步電機直接轉矩控制優(yōu)化方法與流程

本發(fā)明涉及一種永磁同步電機直接轉矩控制優(yōu)化方法，具體涉及一種變電壓矢量的永磁同步電機直接轉矩控制優(yōu)化方法。
背景技術：
：永磁同步電機(pmsm)具有體積小、效率高、轉矩平穩(wěn)的優(yōu)點，同時還兼有優(yōu)良的弱磁性能，成為研究的熱點。直接轉矩控制(dtc)系統(tǒng)通過磁鏈觀測器觀測電機的定子磁鏈，進而計算電機轉矩，確定定子磁鏈所處扇區(qū)，將電機實際磁鏈和轉矩分別與給定值比較，經過磁鏈和轉矩調節(jié)器得到輸出結果，結合定子磁鏈扇區(qū)信號選擇電壓矢量，控制定子磁鏈幅值恒定和轉矩角的變化，最終實現(xiàn)對電機轉矩的直接控制。但直接轉矩控制系統(tǒng)存在轉矩脈動大、開關頻率不固定、低速性能差等缺陷。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種變電壓矢量的永磁同步電機直接轉矩控制優(yōu)化方法，以提高永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的性能，減小系統(tǒng)開關動作次數(shù)，進而降低開關損耗，同時使系統(tǒng)具有更快的動態(tài)響應。為了達到上述目的，本發(fā)明包括以下步驟：步驟一，當永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)要求同時減小定子磁鏈幅值和轉矩；步驟二，判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，當系統(tǒng)處于動態(tài)時，選擇非零電壓矢量；當系統(tǒng)處于靜態(tài)時，選擇零電壓矢量滿足控制需求。所述步驟二中，當電機轉矩的相對誤差限ert與磁鏈的相對誤差限erf同時滿足ert≤0.6％,erf≤0.5％時，判斷系統(tǒng)處于靜態(tài)；否則判斷系統(tǒng)處于動態(tài)。所述電機轉矩的相對誤差限ert與磁鏈的相對誤差限erf分別為：式中te*和te分別為轉矩的實際值和參考值，和分別為定子磁鏈幅值的實際值和參考值。所述步驟二中，系統(tǒng)處于靜態(tài)時施加零電壓矢量時，需判斷上一個采樣時刻施加的電壓矢量，然后選擇使系統(tǒng)開關動作次數(shù)最小的零電壓矢量；三相電壓逆變器得到8個電壓空間矢量，包括其中6個非零電壓矢量v1、v2、v3、v4、v5、v6和2個零電壓矢量v0、v7，v0、v1、v2、v3、v4、v5、v6、v7的開關狀態(tài)分別為000、100、110、010、011、001、101、111；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v0(000)時，切換到v0(000)時，開關動作次數(shù)最小，此時選擇v0作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v1(100)時，切換到v0(000)時，開關動作次數(shù)最小，此時選擇v0作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v2(110)時，切換到v7(111)時，開關動作次數(shù)最小，此時選擇v7作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v3(010)時，切換到v0(000)時，開關動作次數(shù)最小，此時選擇v0作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v4(011)時，切換到v7(111)時，開關動作次數(shù)最小，此時選擇v7作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v5(001)時，切換到v0(000)時，開關動作次數(shù)最小，此時選擇v0作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v6(101)時，切換到v7(111)時，開關動作次數(shù)最小，此時選擇v7作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v7(111)時，切換到v7(111)時，開關動作次數(shù)最小，此時選擇v7作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明在永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)要求同時減小定子磁鏈幅值和轉矩時，判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，當系統(tǒng)處于動態(tài)時，選擇非零電壓矢量；當系統(tǒng)處于靜態(tài)時，選擇零電壓矢量滿足控制需求。本發(fā)明根據系統(tǒng)所處的狀態(tài)，合理選擇電壓矢量，減小了系統(tǒng)開關動作次數(shù)，進而降低開關頻率，同時使系統(tǒng)具有更快的動態(tài)響應。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例的永磁同步電機直接轉矩控制方法的原理框圖；圖2為本發(fā)明實施的流程圖；圖3為三相電壓逆變器得到8個電壓空間矢量示意圖；圖4為在matlab/simulink環(huán)境下，本發(fā)明所提出變電壓矢量開關表的仿真波形圖；其中，(a)是定子磁鏈幅值波形，(b)是轉速和轉矩波形，(c)定子磁鏈軌跡，(d)是a相定子繞組電流，(e)是與普通含零電壓矢量開關表轉矩比較結果，(f)與普通含零電壓矢量開關表磁鏈比較結果。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明包括以下步驟：步驟一，當永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)要求同時減小定子磁鏈幅值和轉矩；步驟二，判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，當系統(tǒng)處于動態(tài)時，選擇非零電壓矢量；當系統(tǒng)處于靜態(tài)時，選擇零電壓矢量滿足控制需求。步驟二中判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，定義電機轉矩的相對誤差限ert與磁鏈的相對誤差限erf分別為：式中te*和te分別為轉矩的實際值和參考值，和分別為定子磁鏈幅值的實際值和參考值。當ert與erf同時滿足ert≤0.6％,erf≤0.5％時，判斷系統(tǒng)處于靜態(tài)；否則判斷系統(tǒng)處于動態(tài)。如圖3所示，由三相電壓逆變器得到8個電壓空間矢量，包括其中6個非零電壓矢量(v1(100)、v2(110)、v3(010)、v4(011)、v5(001)、v6(101))和2個零電壓矢量(v0(000)、v7(111))。傳統(tǒng)直接轉矩控制認為只有忽略零電壓矢量，系統(tǒng)才能正常驅動，所以傳統(tǒng)直接轉矩控制設定的開關表如附表1所示。表1傳統(tǒng)直接轉矩控制開關表φτθ1θ2θ3θ4θ5θ611v2v3v4v5v6v110v6v1v2v3v4v501v3v4v5v6v1v200v5v6v1v2v3v4表1中θ1～θ6表示定子磁鏈所在的第1至第6扇區(qū)。當φ＝1時，表示永磁同步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)要求增加定子磁鏈，當φ＝0時，表示永磁同步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)要求減小定子磁鏈。當τ＝1時，表示永磁同步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)要求增加轉矩，當τ＝0時，表示永磁同步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)要求減小轉矩。步驟二中系統(tǒng)處于動態(tài)時，施加非零電壓矢量。當定子磁鏈處于第1扇區(qū)時，非零電壓矢量應為v5；當定子磁鏈處于第2扇區(qū)時，非零電壓矢量應為v6；當定子磁鏈處于第3扇區(qū)時，非零電壓矢量應為v1；當定子磁鏈處于第4扇區(qū)時，非零電壓矢量應為v2；當定子磁鏈處于第5扇區(qū)時，非零電壓矢量應為v3；當定子磁鏈處于第6扇區(qū)時，非零電壓矢量應為v4。研究表明零電壓矢量緩慢減小電磁轉矩和定子磁鏈。當φ＝0和τ＝0時可以施加零電壓矢量，得到普通含零電壓矢量開關表，如附表2所示。表2普通含零電壓矢量開關表φτθ1θ2θ3θ4θ5θ611v2v3v4v5v6v110v6v1v2v3v4v501v3v4v5v6v1v200v0v0v0v0v0v0步驟二中系統(tǒng)處于靜態(tài)時施加零電壓矢量，需判斷上一個采樣時刻施加的電壓矢量，然后選擇使系統(tǒng)開關動作次數(shù)最小的零電壓矢量。當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v0(000)時，切換到v0(000)時，系統(tǒng)開關動作次數(shù)最小，此時選擇v0作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v1(100)時，切換到v0(000)時，系統(tǒng)開關動作次數(shù)最小，此時選擇v0作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v2(110)時，切換到v7(111)時，系統(tǒng)開關動作次數(shù)最小，此時選擇v7作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v3(010)時，切換到v0(000)時，系統(tǒng)開關動作次數(shù)最小，此時選擇v0作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v4(011)時，切換到v7(111)時，系統(tǒng)開關動作次數(shù)最小，此時選擇v7作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v5(001)時，切換到v0(000)時，系統(tǒng)開關動作次數(shù)最小，此時選擇v0作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v6(101)時，切換到v7(111)時，系統(tǒng)開關動作次數(shù)最小，此時選擇v7作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量；當上一個采樣時刻施加的電壓矢量為v7(111)時，切換到v7(111)時，系統(tǒng)開關動作次數(shù)最小，此時選擇v7作為靜態(tài)時要施加的零電壓矢量。則可以得到一種新的開關表，如附表3所示，其中vn在動態(tài)時表示非零電壓矢量，在靜態(tài)時表示v0或者v7。表3變電壓矢量開關表φτθ1θ2θ3θ4θ5θ611v2v3v4v5v6v110v6v1v2v3v4v501v3v4v5v6v1v200vnvnvnvnvnvn在matlab/simulink環(huán)境下，采用本發(fā)明提出的變電壓矢量開關表進行仿真試驗。初始參考轉矩11nm，0.3s時降為4nm；初始參考磁鏈為0.3wb，0.3s時降為0.17wb；給定轉速為120r/min，仿真時間為0.5s。仿真結果如圖4所示，定子磁鏈幅值沒有波動，轉矩波形也沒有波動，定子磁鏈軌跡是圓形，電流波形正弦，符合控制要求。說明本發(fā)明開關表優(yōu)化方法正確。圖4(e)和(f)中，tz、fz為使用變電壓矢量開關表系統(tǒng)的轉矩和磁鏈波形，tb、fb為使用普通含零電壓矢量開關表系統(tǒng)的轉矩和磁鏈波形。與普通含零電壓矢量開關表相比，使用變電壓矢量開關表系統(tǒng)具有更快的動態(tài)響應。在上述仿真條件下，比較系統(tǒng)使用傳統(tǒng)直接轉矩控制開關表和本發(fā)明提出的變電壓矢量開關表系統(tǒng)的開關次數(shù)，結果如附表4所示。表4開關次數(shù)比較結果開關表表1表3開關次數(shù)1.71×1051.34×105證明了本發(fā)明減小系統(tǒng)開關動作次數(shù)，進而降低開關損耗。當前第1頁12