交流同步電機系統轉矩沖量平衡控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電機控制技術領域，具體涉及一種交流同步電機系統轉矩沖量平衡控 制方法。
【背景技術】
[0002] 交流同步電機特別是稀土永磁電機因其具有結構簡單，運行可靠；體積小，重量 輕，損耗小，效率高；電機形狀和尺寸靈活多樣等顯著優點。因而應用范圍極為廣泛，遍及航 空航天、國防、工農業生產和日常生活的各個領域。隨著永磁同步電機在各個領域得到廣泛 的應用，對永磁同步電機控制系統的控制性能也有了越來越高的要求，希望控制系統能有 較快的動態性能與良好的穩態性能。目前永磁同步電機基本的控制方式有兩種，磁場定向 矢量控制(VC)和直接轉矩控制(DTC)。矢量控制通過矢量變換實現交流同步電機的磁通與 轉矩的解耦控制，使交流同步電機的控制類似于直流電機，從而提高交流同步電機控制性 能。矢量控制實現了對電磁轉矩的線性控制，但是由于電流環PI參數的影響，使得電磁轉矩 的動態性能受到影響。直接轉矩控制采用滯環控制，實現了對電磁轉矩的快速控制。
[0003] 然而，不管是直接轉矩控制還是矢量控制，轉速外環的動態性能仍然受到轉速環 PI參數的影響，不同的PI參數將會使得動態過程中轉速的紋波大小和轉速收斂時間發生變 化。因此，如何在轉速變化過程中，計算出優化的電壓矢量及其作用時間，使得電機動態過 程中轉速的紋波最小，轉速收斂時間最短，是提高調速系統目標控制量(轉速)的關鍵。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是:本發明所要解決的技術問題是提出一種交流同步 電機系統轉矩沖量平衡控制方法，解決了現有技術中轉速環PI調節器在動態過程中選取的 矢量及矢量的作用時間計算不精確造成靜態誤差或動態滯后、超調等問題。
[0005] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0006] 交流同步電機系統轉矩沖量平衡控制方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1、預先設定電機的動態轉速閾值、目標轉速，獲取電機的實際轉速，根據電機 電樞電流以及轉子的位置和速度信號計算實時電磁轉矩和負載轉矩大小；
[0008] 步驟2、電機突加負載時，判斷電機實際轉速與目標轉速的差值的絕對值是否大于 預先設定的電機動態轉速閾值，如果大于或者等于轉速閾值，執行步驟3,否則，交流同步電 機工作于直接轉矩控制模式；
[0009] 步驟3、對電機的實際轉速求微分，得到電機實際轉速的微分值；
[0010] 步驟4、電磁轉矩增加過程中，分別對電磁轉矩和負載轉矩對時間進行積分，計算 電磁轉矩沖量SjP負載轉矩沖量S3;
[0011] 步驟5、在電磁轉矩下降過程中，分別對電磁轉矩和負載轉矩對時間進行積分，計 算電磁轉矩沖量&和負載轉矩沖量S4;
[0012] 步驟6、計算SdS2和S3+S4的值，當SdS2GdS 4且電機實際轉速的微分值小于零時， 向電機發送前進矢量；iSi+SXSs+Sa且電機實際轉速的微分值大于零時的某一時刻，向電 機發送零矢量，前進矢量和零矢量的切換時刻滿足只需切換一次即可使電機進入穩態； [0013]步驟7、判斷SdS 2是否等于S3+S4是否相等，如果相等，電機達到穩態，切換為直接 轉矩控制模式，否則，重復執行步驟3至步驟7。
[0014]電機突加負載過程中發送前進矢量的時刻to和零矢量時刻t2計算如下：
[0016] 其中，Rs為電樞繞組電阻，如為永磁磁鏈，〇^為電機同步電角頻率，Ls為電樞繞組 電感，Ud為電機電樞繞組的d軸電壓，Uq為電機電樞繞組的q軸電壓，電機實際轉速的微分值 為零的時刻為ti，
[0017] 突加負載情況下，若減小電磁轉矩時，選擇發送后退矢量，那么電機動態過程中發 送前進矢量的時刻t〇和后退矢量時刻t2計算公式如下：
[0019]突卸負載時，電機動態過程中發送零矢量的時刻to和前進矢量的時刻^計算公式 如下：
[0021]突卸負載情況下，若減小電磁轉矩時，選擇發送后退矢量，電機動態過程中發送后 退矢量的時刻to和前進矢量的時刻t2計算公式如下：
[0023]所述電機的負載轉矩可以由轉矩測試儀獲取或者由如下公式求取：
[0025] 其中，Pr為電機的極對數，ilw為電機的勵磁磁鏈幅值，iq為電機的實際轉矩電流，J 為電機的轉動慣量，D為電機的阻尼系數，ω為電機的機械角頻率。
[0026] 所述交流同步電機系統包括交流電動機、三相全橋逆變器、二極管不控整流橋、變 壓器、濾波電容、電壓傳感器、繞組電流傳感器、電機轉子位置傳感器，其中，濾波電容、二極 管不控整流橋、變壓器、交流電源組成一個直流電壓源，為系統供應直流母線電壓。
[0027] 所述交流同步電機的電機繞組母線端連接電壓傳感器，每相均連接繞組電流傳感 器，電機轉子轉軸設置用于檢測轉子位置的轉子位置傳感器。
[0028] 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
[0029] 轉矩沖量平衡控制策略在電機負載轉矩階躍變化時，計算電磁轉矩沖量和負載轉 矩沖量平衡的時刻，從而控制前進矢量和零矢量的作用時間，使得電機轉速經過一次降速、 一次升速的過程即可收斂，轉速收斂時間最短，轉速動態紋波最小，使得任意負載突變的轉 速收斂時間和轉速動態紋波不受轉速環PI參數的影響，使得調速系統具有最優的動態性 能。
【附圖說明】
[0030] 圖1轉矩沖量平衡控制框圖。
[0031] 圖2轉矩沖量平衡示意圖。
[0032] 圖3電流斜率示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面對本發明的結構及工作過程作進一步說明：
[0034]如圖1、圖2、圖3所示，直流電源為三相全橋逆變器提供母線電壓，三相全橋逆變器 的三個橋臂中點分別連接電機的A、B、C三相電樞繞組，交流同步電機的轉軸上裝有轉子位 置傳感器，由轉子位置傳感器獲得電機的轉子位置信號9 r，采用微分環節對電機的轉子位 置信號I進行求微分，獲得電機的實際轉子同步電角頻率，電機的期望轉子同步角頻率 設定為《:，《:與《 (3作差，所得差值依次經過比例積分環節(PI環節）、限幅環節獲得電機的 期望電磁轉矩?，利用電壓傳感器獲得為三相全橋逆變器供電的直流電源的母線電壓幅值 Udc，利用Udc和三相全橋逆變器的占空比Da，Db，D C獲得電機的三相定子電壓：
[0036]三相全橋逆變器的占空比031，0。定義如下：
[0037]當三相全橋逆變器第一開關管gl導通，三相全橋逆變器第二開關管g2關斷時，Da =1，
[0038] 當三相全橋逆變器第一開關管gl關斷，三相全橋逆變器第二開關管g2導通時，Da =0，
[0039] 當三相全橋逆變器第三開關管g3導通，三相全橋逆變器第四開關管g4關斷時，Db =1，
[0040] 當三相全橋逆變器第三開關管g3關斷，三相全橋逆變器第四開關管g4導通時，Db =0，
[0041]當三相全橋逆變器第五開關管g5導通，三相全橋逆變器第六開關管g6關斷時，Dc =1，
[0042]當三相全橋逆變器第五開關管g5關斷，三相全橋逆變器第六開關管g6導通時，Dc =0，
[0043]將交流同步電機的三相定子電壓經過3/2變換得到交流同步電機兩相靜止坐標定 子電壓：
[0045]利用電流傳感器獲得交流同步電機的三相定子電流ia，ib，i。，將交流同步電機的 三相定子電流經過3/2變換得到交流同步電機兩相靜止坐標定子電流：
[0047]利用（2)和(3 )，可以求得交流同步電機的兩相靜止坐標定子磁鏈：
[0049] 式中，i為積分算子，R為交流同步電機定子電阻， S
[0050] 利用(3)和(4)求得交流同步電機的實際電磁轉矩：
[0052] 式中，Pr為交流同步電機轉子極對數。
[0053] 利用(4)求得交流同步電機的實際定子磁鏈幅值和相位：
[0062 ]利用電機的期望電磁轉矩與電機的實際電磁轉矩Te作差，
[0063]當該差值大于等于0,轉矩信號kT=l，
[0064] 當該差值小于等于0,轉矩信號kT=0，
[0065] 利用電機的期望定子磁鏈幅值 < 與電機的實際定子磁鏈幅值也作差，
[0066]當該差值大于等于0,磁鏈信號W=I，
[0067]當該差值小于等于0，磁鏈信號W=O，
[0068] 根據區間信號ke、轉矩信號kT和磁鏈信號Ι?φ，根據開關狀態表，可以確定三相全橋 逆變器的占空比〇3，仏，隊，利用開關狀態表確定占空比的步驟如下：
[0069] 當ke = I，kT= 1 Λφ=1時，Da= I，Db = I，DC = 0，
[0070] 當ke = I，kT= 1 Λφ = 0時，Da = 0，Db = I，DC = 0，
[0071] 當 ke = l，kT = 0，kij?=l時，Da=l，Db=l，Dc = l，
[0072] 當ke = I，kT = 0，kij? = 0時，Da= I，Db = I，DC = 1，
[0073] 當 ke = 2，kT=l，kij?=]Jf，Da = 0，Db=l，Dc = 0，
[0074] 當ke = 2，kT= I Λφ = 0時，Da = 0，Db = I，DC = 1，
[0075] 當1^ = 2，1^ = 0，1^=1時，〇3=1，0匕=1，0。= 1，
[0076] 當ke = 2，kT = 0，kij? = 0時，Da= I，Db = I，DC = 1，
[0077] 當ke = 3，kT=l，kij?=l時，Da = 0，Db=l，Dc = l，
[0078] 當ke = 3 Λτ = I Λψ = 0時，Da = O，Db = 0，DC = I，
[0079] 當1^ = 3，1^ = 0，1^=1時，〇3=1，0匕=1，0。= 1，
[0080] 當1^ = 3，1^ = 0，1^ = 0時，〇3=1，0匕=1，0。= 1，
[0081 ]當ke = 4，kT=l Λφ=1時，Da = 0，Db = 0，Dc = l，
[0082] 當ke = 4，kT= 1 Λφ = 0時，Da= I，Db = 0，Dc = l，
[0083] 當1^ = 4，1〇' = 0，1^=1時，〇3=1，0匕=1，0。= 1，
[0084] 當1^ = 4，1〇' = 0，1^ = 0時，〇3=1，0匕=1，0。= 1，
[0085] 當ke = 5，kT=l，kij?=l