一种九相磁通切换永磁电机的直接转矩控制系统

摘要

本发明提供一种九相磁通切换电机直接转矩控制系统，其控制结构与传统直接转矩控制相同，未增加软件复杂度以及硬件设施，与传统直接转矩控制的区别在于电压矢量选择表，方法简单明了有效。

权利要求

1.一种九相磁通切换永磁电机的直接转矩控制系统，主要包括以下几个部分：磁链观测模块、转速转矩估计模块、磁链调节器、转矩调节器、电压矢量选择表、逆变器、九相磁通切换电机，其特征在于，其中电压矢量选择表的设计方法如下：在一个采样周期内选取U2-k、U3-k、U4-k、U2-(k+1)、U3-(k+1)、U4-(k+1)，k＝0～17,每个矢量作用时间由下列方式计算：假设：一个周期内矢量时间为Ts，U2-k、U2-(k+1)的作用时间为T1，U2-k、U2-(k+1)幅值为V1，U3-k、U3-(k+1)作用时间为T2，U3-k、U3-(k+1)的幅值V2，U4-k、U4-(k+1)(幅值V3)作用时间为T3，U4-k、U4-(k+1)的幅值V3，其中V1、V2、V3分别为0.418Udc，0.563Udc，0.640Udc，Udc为直流母线电压；

五次谐波空间下保证合成电压矢量为0需满足：

V1T1+V2T2＝V3T3

七次谐波空间下保证合成电压矢量为0需满足：

V1T1+V3T3＝V2T2

其中：T1、T2、T3满足：

T1+T2+T3＝0.5Ts。

说明书

一种九相磁通切换永磁电机的直接转矩控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及电机控制领域，具体而言涉及一种九相磁通切换永磁电机的直接转矩控制系统。

背景技术

[0002] 21世纪以来，世界性的能源短缺，环境污染和全球气候变暖等问题的严重性，引起了世界各国对节能技术的广泛关注，对于节能降耗的考虑已经到了刻不容缓的地步，其中电机系统节能已成为当前全球共同关注的话题。除了大力加快推广高效率电机外，采用大功率交流变频调速系统具有十分明显的节能效果。实现大功率调速的主要途径有多电平电机系统和多相电机系统两种，前者在过去的十多年中已在高压场合得到广泛应用，而后者在低压大电流调速场合更具优势

[0003] 与三相电机相比，多相电机系统的优点主要体现在以下几个方面：

[0004] 1)多相电机更适合于低压大功率的应用场合；

[0005] 2)多相电机能够提高输出电磁转矩脉动的频率；

[0006] 3)多相电机有着更多的控制资源和自由度；

[0007] 4)具有高可靠性和容错性；

[0008] 直接转矩控制技术相比于矢量控制技术，解决了矢量控制过程中计算过程复杂的问题，并且在很大程度上消除了特性容易受电机参数的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题，控制简单，结构清晰明了，优良的动稳态性能，在三相以及多相驱动控制技术中得到了广泛的应用。

[0009] 传统直接转矩控制中为了保证电机转矩的快速响应这一动态特性以及提高电压利用率，通常选取的电压矢量均为其最大的矢量，并且在每个采样周期内仅仅只有一个矢量进行动作，这就不可避免的会导致较大转矩脉动、稳态误差以及定子铜耗。

发明内容

[0010] 本发明的目的在于提供一种九相磁通切换电机直接转矩控制系统，其控制结构与传统直接转矩控制相同，未增加软件复杂度以及硬件设施，与传统直接转矩控制的区别在于电压矢量选择表，方法简单明了有效。

[0011] 为达上述目的，本发明提出一种九相磁通切换电机直接转矩控制系统，主要包括以下几个部分：磁链观测模块、转速转矩估计模块、磁链调节器、转矩调节器、电压矢量选择表、逆变器、九相磁通切换电机。其中电压矢量选择表的设计方法如下：

[0012] 在一个采样周期内选取U2-k、U3-k、U4-k、U2-(k+1)、U3-(k+1)、U4-(k+1)，k＝0～17,每个矢量作用时间由下列方式计算：

[0013] 假设：一个周期内矢量时间为Ts，U2-k、U2-(k+1)的作用时间为T1，U2-k、U2-(k+1)幅值为V1，U3-k、U3-(k+1)作用时间为T2，U3-k、U3-(k+1)的幅值V2，U4-k、U4-(k+1)(幅值V3)作用时间为T3，U4-k、U4-(k+1)的幅值V3，其中V1、V2、V3分别为0.418Udc，0.563Udc，0.640Udc，Udc为直流母线电压；

[0014] 五次谐波空间下保证合成电压矢量为0需满足：

[0015] V1T1+V2T2＝V3T3

[0016] 七次谐波空间下保证合成电压矢量为0需满足：

[0017] V1T1+V3T3＝V2T2

[0018] 其中：T1、T2、T3满足：

[0019] T1+T2+T3＝0.5Ts。

[0020] 本发明中，九相磁通切换电机直接转矩控制系统的结构与传统直接转矩控制系统相同，未增加软件复杂度以及硬件设施，与传统直接转矩控制的区别在于电压矢量选择表的不同，经过改进的电压矢量选择表在一个采样周期内有多个矢量作用，充分利用逆变器开关频率，在谐波空间所选矢量和为0，这就能够保证谐波空间电压矢量为0，这就能够保证在谐波空间下电流也为0，这就从根本上消除谐波电流，达到减少定子铜耗的目的。

附图说明

[0021] 图1为传统的九相磁通切换电机直接转矩控制系统；

[0022] 图2为传统的九相电机直接转矩控制各空间下电压矢量图

[0023] 图3为k＝0时所选矢量在基波空间以及谐波空间下的矢量图

[0024] 图4为PWM波生成序列图

[0025] 图5为改进后所选矢量在各空间下的矢量图

具体实施方式

[0026] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

[0027] 图1是传统的九相磁通切换电机直接转矩控制系统，主要包括以下几个部分：磁链观测模块、转速转矩估计模块、磁链调节器、转矩调节器、电压矢量选择表、逆变器、九相磁通切换电机等。先对九相磁通切换电机的电流电压进行采样，坐标变换后进行磁链和转矩估计并与给定值进行比较，将差值经滞环输出，然后查表选择电压矢量，电压矢量加在逆变器对电机进行控制。

[0028] 传统直接转矩控制方案仅仅考虑矢量在基波空间下的作用，并未考虑所选矢量在谐波空间下的作用结果，对传统直接转矩控制所选矢量进行分析，当在某一扇区作用时仅有一个矢量作用，以矢量U4-0为例，如图2所示，当仅有U4-0作用时在谐波空间下仍然有较大的谐波电压矢量，就必然会导致有较大的谐波电流。分析只针对谐波含量较大的低次谐波空间，此外九相电机采用三中性点接法时电流中三次谐波含量非常小，所以本分析只针对五次、七次谐波空间下的电压矢量。

[0029] 考虑到九相电机丰富的矢量组合以及对稳态误差和减小转矩脉动的要求，在每个采样周期内采用多个矢量合成进行控制。在对矢量进行选择进行合成时，应当考虑到转矩的快速响应特性，即电压利用率不能太低，同时在3、5、7次谐波空间下应矢量当能够合成零。

[0030] 本专利所提方法与传统方法区别在于在一个采样周期内有多个矢量作用，充分利用逆变器开关频率，在谐波空间所选矢量和为0，这就能够保证谐波空间电压矢量为0，这就能够保证在谐波空间下电流也为0，这就从根本上消除谐波电流，达到减少定子铜耗的目的。

[0031] 同时为了保证最大限度的减少开关状态变化时引起的开关损耗，本实施例在一个采样周期内选取U2-0、U3-0、U4-0、U2-1、U3-1、U4-0来替换传统的U4-0，每个矢量作用时间可由下式计算：

[0032] 假设：在一个周期内矢量时间为Ts，U2-0、U2-1(幅值V1)作用时间为T1，U3-0、U3-1(幅值V2)作用时间为T2，U4-0、U4-1(幅值V3)作用时间为T3。其中V1、V2、V3分别为0.418Udc，0.563Udc，0.640Udc。

[0033] 五次谐波空间下保证合成电压矢量为0需满足：

[0034] V1T1+V2T2＝V3T3

[0035] 七次谐波空间下保证合成电压矢量为0需满足：

[0036] V1T1+V3T3＝V2T2

[0037] 其中：T1、T2、T3满足：

[0038] T1+T2+T3＝0.5Ts

[0039] 图3为k＝0时所选矢量在基波空间以及谐波空间下的矢量图。传统控制策略下，在整个采样周期内仅仅只有U4-0矢量作用，在5次和7次谐波空间下会产生比较大的谐波电压，如图2所示。图3中，在一个采样周期内，有6个电压矢量进行作用，矢量作用顺序如图4所示(在矢量切换时仅仅只有一个开关管变化，满足最小开关损耗)，采用新型电压矢量选择表，在谐波空间内合成矢量为0，达到了消除谐波的目的。

[0040] 图5是改进后所选矢量在各空间下的矢量图。从图中可以看出，在本控制策略下充分利用了九相电机丰富的冗余特性，相比于图2传统控制策略下所选电压矢量，充分挖掘了多相电机的潜能，提高了电机的稳态运行性能。

[0041] 综上所述，本发明公开了一种九相磁通切换永磁电机的直接转矩控制系统，利用九相系统自身的冗余特性及谐波电流消除控制原理，提出了一种优化设计的电压矢量选择表最大限度的减少了开关状态变化时引起的开关损耗。本发明利用九相逆变器丰富的开关组合所形成的电压矢量并且考虑到电压利用率，根据负载电路结构可以配置成{1,8}max，{2,7}max，{3,6}max和{4,5}max4个幅值最大集合，相比于仅仅利用{4,5}max的传统九相磁通切换电机直接转矩控制，解决了传统九相磁通切换永磁电机直接转矩控制电流谐波大、定子铜耗大等问题。所选开关表方法和PWM波生成序列可推广至其他多相电机直接转矩控制，如五相、六相、十二相电机等。

[0042] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。