一种产生多边形磁链轨迹的优化方法

摘要

本发明涉及一种产生多边形磁链轨迹的优化控制方法，包括：对传统正六边形磁链轨迹进行细分，正六边形的每边沿着6种可能的方向扩展成5条边，得到三十边形磁链轨迹；采用DSP的事件管理器实现三十边形磁链轨迹的优化控制。所述的DSP的事件管理器实现三十边形磁链轨迹的优化控制包括：确定事件管理器的定时器周期值；根据实现三十边形磁链轨迹需要的开关时序和定时器周期值来确定比较单元的三个比较寄存器值；每个扇区用2个比较输出，且每个定时器周期内只用一个比较输出，每次需要的比较输出由不同扇区来确定。本发明减小了电机运转时的转矩脉动，工作频率可达到300Hz，使其可应用到高速变频场合，其控制简单，通用性较强。

权利要求

1.一种产生多边形磁链轨迹的优化控制方法，包括： (1)对传统正六边形磁链轨迹进行细分，传统的磁链轨迹空间电压矢量作用时序是U1-U2-U3-U4-U5-U6，现将正六边形的每个作用时序在同样的时间段内细分成5个时序，具体方法是将原来的一个时间段内作用一个电压矢量改为同样的时间段内合理选择3种电压矢量作用5个时序，具体时序即：原U1作用时序细分为U1-U6-U1-U2-U1；原U2作用时序细分为U2-U1-U2-U3-U2；原U3作用时序细分为U3-U2-U3-U4-U3；原U4作用时序细分为U4-U3-U4-U5-U4；原U5作用时序细分为U5-U4-U5-U6-U5；原U6作用时序细分为U6-U5-U6-U1-U6，通过对相电压进行傅氏变化，得到相电压的各次谐波幅值，调整电压矢量的作用时间可以使得相电压的高次谐波分量大大减小甚至消除，从而得到最优化的三十边形磁链轨迹； (2)采用DSP的事件管理器实现三十边形磁链轨迹的优化控制； 所述的DSP的事件管理器实现三十边形磁链轨迹的优化控制包括： (a)确定事件管理器的定时器周期值； (b)根据实现三十边形磁链轨迹需要的开关时序和定时器周期值来确定比较单元的三个比较寄存器值； (c)每个扇区用2个比较输出，且每个定时器周期内只用一个比较输出，每次需要的比较输出由不同扇区来确定。

2. 根据权利要求1所述的一种产生多边形磁链轨迹的优化控制方法，其特征在于：所述的DSP的事件管理器采用TI公司的TMS2000系列DSP的事件管理器。

说明书

一种产生多边形磁链轨迹的优化方法

技术领域

本发明属交流电机领域，特别涉及交流电机直接转矩控制电压空间矢量中的产生多边 形磁链轨迹的优化方法。 背景技术
近年来对直接转矩控制的研究都是集中在对磁链和转矩的观测和控制改进方案上，传 统采用的磁链控制基本上建立在六边形磁链轨迹和圆形磁链轨迹控制。
六边形磁链控制简单易行，但是输出相电压谐波分量大，尤其是在低压运转时转矩的 脉动较大，对控制系统影响很大，污染了电网。
•圆形磁链控制产生的相电压谐波小，具有很好的动静态性能，但是要求功率开关频率 较高，适用于低速运行场合，高速时存在功率损失大，常用的功率开关频率达不到要求。 近年来对直接转矩控制中的磁链轨迹控制进行了很多优化研究，比如文献[l] (J. A. Restrepo， J.C.Viola, et al. A fuzzy-P丽direct torque control of induction machines for current limitation and reduced torque ripple, Power Electronics and Applications, 2005 European Conference on 1H4 Sept- 2005 Page(s):8 ppX 比较 文献[2] ( Dan SUN, Yikang HE, et al. Fuzzy logic direct torque control for permanent magnet synchronous motors, Intelligent Control and Automation, 2004。 WCICA 2004. Fifth World Congress on Volume 5, 15-19 June 2004 Page(s):4401 - 4405 Vol.5) 釆用模糊控制对圆形磁链轨迹进行了优化，该法可以得到优化的圆形磁链轨迹，因此相电 压的谐波分量小，转矩波动小，但它应用了复杂的算法，也并没有解决开关频率过高的问 题，也不适合应用于高速变频场合；又比如文献[3] ( Joon Hyoung Ryu， Kwang Won Lee， et al. A unified flux and torque control method for DTC-based induction-motor drives, Power Electronics, IEEE Transactions on Volume 21, Issue 1, J肌 2006 Page(s):234 - 242)提出的新型的参考转子磁链来实现定子磁链轨迹控制用到了过多的 参数，并且进行了大量的坐标变换，增加了控制的复杂性。 发明内容
所要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是提供一种对传统正六边形磁链轨迹进行细分的多边形磁 链轨迹优化控制方法，以减少输出相电压的谐波成分，改善电机转矩脉动，降低功率开关»的开关功耗和频率。 技术方案
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种产生多边形磁链轨迹的优化控 制方法，包括：
(1) 对传统正六边形磁链轨迹进行细分，正六边形的每边沿着6种可能的方向扩展 成5条边，具体方法是将原来的一个时间段内作用一个电压矢量改为同样的时 间段内合理选择3种电压矢量作用5个时序，具体时序即：原U1作用时序细分
为U1-U6-U1-U2-Ul;原U2作用时序细分为U2-U1-U2-U3-U2;原U3作用时序细 分为U3-U2-U3-U4-U3;原U4作用时序细分为U4-U3-U4-U5-U4;原U5作用时序 细分为U5-U4-U5-U6-U5;原U6作用时序细分为U6-U5-U6-U1-U6，通过对相电 压进行傅氏变化，得到相电压的各次谐波幅值，调整电压矢量的作用时间可以 使得相电压的高次谐波分量大大减小甚至消除，得到三十边形磁链轨迹；
(2) 采用DSP的事件管理器实现三十边形磁链轨迹的优化控制。 所述的DSP的事件管理器实现三十边形磁链轨迹的优化控制包括：
a) 确定事件管理器的定时器周期值；
b) 根据实现三十边形磁链轨迹需要的开关时序和定时器周期值来确定比较单元 的三个比较寄存器值；
c) 每个扇区用2个比较输出，且每个定时器周期内只用一个比较输出，每次需要 的比较输出由不同扇区来确定。
所述的DSP的事件管理器采用TI公司的TMS2000系列DSP的事件管理器。
有益效果
本发明的有益效果是：
1. 可以完全消除相电压第5， 7次谐波分量，高次谐波电压则可以通过滤波器得到很好 的抑制，因此可减小电机运转时的转矩脉动。
2. 工作频率可达到300Hz，使其可应用到高速变频场合。
3. 计算简单，控制难度不高，且其直接从逆变器输出端的相电压分析入手，没有过多 用到电机相关模型参数，通用性较强。
附图说明 图1为正六边形磁链轨迹。图2为三十边形磁链轨迹。
图3为三十边形磁链轨迹中相电压主要谐波分量。
图4为三十边形磁链轨迹控制P丽的DSP实现（扇区1的实现时序图）。 具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术 人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限 定的范围。
如图1所示，在传统的正六边形磁链轨迹基础上，三十边形的磁链轨迹是把原来的六 边形每边都沿着6种可能的方向扩展成5条边。
如图2所示，图中虚线为正六边形轨迹，实线为三十边形轨迹，由图可以看出，三十 边形的电压空间矢量作用顺序为（依然以B点为起点，逆时针旋转）： Ul-U6-Ul-U2-U1-U2-U1-U2-U3-U2-U3-U2-U3-U4-U3-U4-U3-U4-U5-U4-U5-U4-U5-U6-U5-U6 -U5-U6-U1-U6。
顺序可以得到确定，以原六边形中的一边BC和三十边形中对应扩展出来的五边3瑪，
AA，爲q， C2C,， Cf为例（如图2所示），在BC边作用的电压依次为Ul， U6， Ul，
U2， Ul，现设在这5段磁链转过的角度依次为a ， 3-a， ^/3-2 P ， P - a ， a。因此， 由电压矢量（见表l)的作用得到C相相电压的波形图如图3所示（因为波形为奇函数波 形，图3仅画出半个周期内的波形）。
表l、空间电压矢量对应的开关状态，各相电压，线电压
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对相电压进行傅氏变化，可以得到相电压的各次谐波幅值为:formula see original document page 6
式可以看出，三十边形的磁链轨迹控制产生的相电压依然不存在偶数次的谐波分量，只有
奇数次谐波，当n为奇数时，上式可以进一步化简为：
formula see original document page 6
当n为偶数且n为3的倍数时，M衣然为0，所以三十边形磁链轨迹控制产生的相电 压同前面分析的一样，不存在偶数次和3的倍数次谐波。这里有2个待定的角度参数，根 据这2个角度参数就可以消除2个谐波分量。例如，如果取a二7.93。 ， 3=13.75° ， 则可以消除第5， 7次谐波分量，但是后面的11， 13次谐波分量偏大。这里如果取a =14. 7 ° ， e=20° ，则有表2所示的结果，虽然没有消除谐波分量，但是主要谐波分量总和明显减少。
表2、三十边形磁链轨迹中相电压主要谐波分量
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同理，我们可以计算出其他多边形磁链轨迹的谐波分量，下表对六边形，十八边形， 三十边形和四十二边形磁链轨迹控制中的相电压谐波情况进行了全面比较
表3、 4种多边形磁链轨迹的比较
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从表中可以看出，多边形变数越多，相电压的低次谐波含量越小，但是其用DSP控制 实现就越复杂。先在直接转矩控制中定子磁链是通过磁链观测器计算得出，而边数越多就 会增加观测难度，更重要的是因为功率开关的限制，常用的功率开关器件IGBT的工作频 率为20k左右，以三十边形磁链对功率开关的要求为研究，由表5可以看出，逆变器的功 率开关要求最快能在磁链转过5.3°时候开关一次，可以计算出三十边形磁链轨迹的工作
频率为：/<20000x5.3=294.44/fe，同理计算出四十二边形磁链轨迹的工作频率为 360
/〈167ffe,其逆变器的变频范围受到了很大的限制，不能用于高速变频场合，而且DSP2000 系列时间管理器不能实现。采用TI公司的TMS2000系列DSP的事件管理器模块很容易实现三十边形的磁链轨迹 控制策略。以TMS320C2812为例说明实现如下。
首先需要确定事件管理器的定时器周期值，计算如下。 Sysclkout
式中Sysclkout为DSP的cpu时钟频率；f为电机
—w (TPS2〜TPS0)x6x/x2x2
的工作频率；（TPS2，PS0)为定时器控制寄存器的第1(T8位，对CPU时钟频率迸行分频作 为定时器的时钟信号。
根据上面分析的实现三十边形磁链轨迹需要的开关时序和定时器周期值来确定比较 单元的三个比较寄存器值，在每个扇区只用到2个比较输出，且每个定时器周期内只用到 一个比较输出，也就是说实现一个扇区的5段电压时区需要2次定时器连续增/减计数， 每次需要的比较输出由不同扇区来确定，具体如下：
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第一次计数所用的比较寄存器比较值为：
3
1
第二次计数所用的比较寄存器比较值为：
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例如，在扇区1，就把CMT1赋值给CMPR3，等定时器计数下溢中断后又把CMT2赋值 给CMP2，如图4所示。
由DSP的实现过程可以看到，三十边形的磁链轨迹控制开关频率恒定，计算量小，实 现非常简单易行。