表面式永磁同步電機的直接轉矩控制方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于永磁同步電機技術領域，更具體地，涉及一種表面式永磁同步電機的 直接轉矩控制方法及系統。
【背景技術】
[0002] 傳統的直接轉矩控制（Direct Torque Control，DTC)方法不運用任何電流調節 器、坐標變換和空間矢量脈寬調制信號發生器，僅需要考慮定子坐標軸，其中，定子電阻是 影響系統性能的唯一電機參數，基于它的控制結構簡單，動態響應快，直接轉矩控制在過去 幾十年中已受到了廣泛關注。在傳統的直接轉矩控制中，按照一定的規則從預選開關表中 選擇一個離散空間電壓矢量，通過開關控制來控制電機的轉矩和磁通。然而，直接從電壓源 變換器產生的八個空間電壓矢量中，沒有一個能精確地控制轉矩和磁鏈。因此，基于磁滯回 線的傳統直接轉矩控制有著轉矩和磁鏈脈動高，開關頻率變化等缺陷。
[0003] 近年來，研究人員已經在集中解決直接轉矩控制的這些不足。1991年，Habetler學 者在感應電機（Induction Motor, IM)的直接轉矩控制中首次引入了空間矢量調制（Space Vector Modulation,SVM)這一概念。SVM-DTC有效地解決了轉矩及磁鏈脈動大和開關頻率 變化等問題，因此在接下來的幾年里，SVM-DTC得到了快速發展。但傳統的SVM-DTC系統只使 用一個PI控制器來計算基于轉矩誤差的參考電壓矢量，導致系統的動態性能差，效果由選 擇的PI參數決定。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種表面式永磁同步電機的 直接轉矩控制方法及系統，通過近似處理簡化電磁轉矩T e和定轉子磁鏈之間的相角δ的關 系式，加快了系統的處理速度，提高了系統的動態響應性能，減小了轉矩脈動，同時擴大了 SVM-DTC的應用范圍。
[0005] 為實現上述目的，按照本發明的一個方面，本發明提供了一種表面式永磁同步電 機的直接轉矩控制方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0006] (1)獲取定子電壓和定子電流；
[0007 ] (2)根據定子電壓和定子電流，計算電磁轉矩Te和定子磁鏈也；
[0008] (3)根據電磁轉矩Te和定子磁鏈也，計算當前時刻的轉矩角δ，結合轉矩角參考值δ* 得到下一采樣周期內的轉矩角變化量A δ;
[0009] (4)根據下一采樣周期內的轉矩角變化量△ δ以及定子磁鏈與α軸之間的相角ps， 得到下一周期定子磁鏈與α軸之間的相角參考值Psrrf;
[0010] (5)根據下一周期定子磁鏈與α軸之間的相角參考值Psref以及定子磁鏈參考值， 計算得到α軸和β軸的定子電壓參考值Usa和Usfi，將其作為電壓空間矢量調制的輸入，實現對 表面式永磁同步電機的直接轉矩控制。
[0011]優選地，所述步驟(3)中，轉矩角參考值δ*通過如下方法得到：
[0012] (Al)獲取電機轉速ω;
[0013] (Α2)將電機轉速參考值ω*與電機轉速ω的差值進行PI調節得到電磁轉矩參考值 Te* ;
[0014] (A3)根據電磁轉矩參考值Te3*和定子磁鏈參考值_ξι<，計算得到轉矩角參考值δ*。
[0015] 優選地，電機轉速參考值ω*和定子磁鏈參考值為預先設定量。
[0016] 優選地，所述步驟(3)中，當前時刻的轉矩角δ為：
[0017]
[0018] 其中，
％電磁轉矩的幅值，P為電機極對數，|如|為轉子磁鏈的 幅值，I1^s I為定子磁鏈的幅值，Ls為定子電感。
[0019] 按照本發明的另一方面，提供了一種表面式永磁同步電機的直接轉矩控制系統， 其特征在于，包括：
[0020] 第一模塊，用于獲取定子電壓和定子電流；
[0021] 第二模塊，用于根據定子電壓和定子電流，計算電磁轉矩Te3和定子磁鏈也；
[0022] 第三模塊，用于根據電磁轉矩Te和定子磁鏈也，計算當前時刻的轉矩角δ，結合轉矩 角參考值δ*得到下一采樣周期內的轉矩角變化量Δ δ ;
[0023] 第四模塊，用于根據下一采樣周期內的轉矩角變化量△ δ以及定子磁鏈與α軸之間 的相角Ps，得到下一周期定子磁鏈與α軸之間的相角參考值Psrrf;
[0024] 第五模塊，用于根據下一周期定子磁鏈與α軸之間的相角參考值Psref以及定子磁 鏈參考值Fs S，計算得到α軸和β軸的定子電壓參考值Usa和Us{!，將其作為電壓空間矢量調制的 輸入，實現對表面式永磁同步電機的直接轉矩控制。
[0025] 總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效 果：
[0026] (1)具有更好的動態響應性能，轉矩和磁鏈脈動相對更小。傳統的通過兩個PI調節 器同時協調配合以改善性能的SVM-DTC方法只使用一個PI控制器計算基于轉矩誤差下的參 考電壓矢量，導致系統的動態性能差，效果由選擇的PI參數決定，而本發明基于式(5)，通過 改進后的轉矩控制器和SVM-DTC運算法則，使得表面式永磁同步電機的驅動性能得到增強。
[0027] (2)處理速度更快，能廣泛適用于SPMSM，IPMSM，Double salient machines等模型 中。在轉矩方程式變得更復雜以至相角S很難直接求得時，傳統的基于式(6)通過轉矩控制 器計算相角變化值的SVM-DTC方法便失效了，而本發明通過數學簡化處理得到的式(21)~ (26)相對于式(6)的線性度很好，加快了轉矩控制器的計算速度。另外由于SPMSM電磁轉矩 方程的特殊性，利用式(6)便能直接計算出相角δ。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明實施例的表面式永磁同步電機的直接轉矩控制方法的原理框圖； [0029]圖2是計算定子磁鏈參考位置的原理框圖；
[0030]圖3是在Matlab/Simulink環境下，傳統控制方法的仿真波形圖，其中，（a)是A相定 子繞組電流，（b)是電機轉速，（c)是電機電磁轉矩，（d)是定子磁鏈；
[0031 ]圖4是在Matlab/Simulink環境下，本發明控制方法的仿真波形圖，其中，（a)是A相 定子繞組電流，（b)是電機轉速，（c)是電機電磁轉矩，（d)是定子磁鏈。
【具體實施方式】
[0032]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0033]利用方程式來描述表面貼裝式永磁同步電機(SPMSM)轉子同步d-q坐標下的動態 模型，關系式如下：
[0034] (1)
[0035] (2)
[0036]定子磁通的方程式如下：
[0037] (3)
[0038] (4)
[0039]電磁轉矩可由下式表示：
[0040]
(5)
[0041] 通過對式(5)進行反余弦變換，可以計算出負載的相角：
[0042]
(6)
[0043] 其中，Ud和Uq分別表示d軸和q軸的定子電壓，id和iq分別表示d軸和q軸的定子電 流，Rs表不定子電阻，Ld和Lq分別表不直軸和交軸的電感，ω表不轉子角速度，T e表不電磁轉 矩，P表示極對數，S表示定轉子磁鏈之間的相角，隊和如分別表示定子磁鏈和轉子磁鏈。
[0044] 如圖1所示，本發明實施例的表面式永磁同步電機的直接轉矩控制方法包括如下 步驟：
[0045] (1)獲取定子電壓、定子電流和電機轉速ω ;
[0046] (2)將預定的電機轉速參考值ω*與電機轉速ω的差值進行PI調節得到電磁轉矩 參考值T e*;根據定子電壓和定子電流，在SPMSM模型單元中計算電磁轉矩Te和定子磁鏈也；
[0051] (1:1)
[0047] (7)
[0048] (8)
[0049] (9),
[0050] (10)
[0052] 其中，Usa和Usfi分別為α軸和β軸的定子電壓，is4Pi s{!分別為α軸和β軸的