[发明专利]一种改善转矩及磁链性能的矩阵变换器直接转矩控制方法

摘要

本发明公开了一种改善转矩及磁链性能的矩阵变换器直接转矩控制方法，步骤包括（1）建立MC‑PMSM系统转矩、磁链评价函数集；（2）根据MC‑PMSM系统转矩、磁链评价函数集，建立MC主从矢量开关表；（3）根据MC主从矢量开关表选出主从矢量，并计算主从矢量占空比；（4）根据主从矢量占空比的计算结果对主从矢量占空比进行约束，并作用于电机系统。本发明提出了主控、从属矢量调制策略及相应的约束方法，可实现MC多矢量间的合理配合；可以有效抑制MC输出侧的转矩及磁链波动。本发明适用于由矩阵变换器馈电的永磁同步电机调速系统。

主权项

一种改善转矩及磁链性能的矩阵变换器直接转矩控制方法，包括以下步骤：步骤一、建立矩阵变换器‑永磁同步电机系统转矩、磁链评价函数集：建立空间旋转坐标系x‑y，且将定子磁链Ψs定位在x轴上，则永磁同步电机定子电压方程为：vx=Rsix+ddt|Ψs|vy=Rsiy+ωs|Ψs|---(1)]]>式(1)中，vx、vy、ix、iy分别为定子电压矢量、定子电流矢量在x‑y轴上的投影；|Ψs|为定子磁链幅值；ωs为定子磁链旋转角速度；Rs为定子电阻；永磁同步电机转矩变化率方程为：ddtTe=3p|Ψs|2LdLq[ψfLqcosδ-|Ψs|(Lq-Ld)cos2δ]dδdt---(2)]]>式(2)中，Te、δ、ψf、Ld、Lq、p、t分别为电磁转矩、转矩角、永磁体磁链、直轴等效电感、交轴等效电感、电机极对数和时间；其中，转矩角变化率为：dδdt=d(θs-θr)dt=ωs-ωr---(3)]]>式(3)中，θs、θr、ωr分别为电机定子磁链矢量相角、转子磁链矢量相角和转子旋转电角速度，忽略定子电阻，结合式(1)～式(3)得定子磁链幅值变化率和电磁转矩变化率分别为：ddt|Ψs|=vx---(4)]]>ddtTe=K(vy-ωr|Ψs|)---(5)]]>式(5)中，K＝(3p/2LdLq)[ψfLqcosδ‑|Ψs|(Lq‑Ld)cos2δ]；将矩阵变换器各有效电压矢量在定子磁链旋转坐标系x‑y下进行投影，投影长度分别用vx、vy表示；定义矩阵变换器转矩评价函数τ、磁链评价函数λ、反电势评价函数e如下：τ=vy2/3Vim---(6)]]>λ=vx2/3Vim---(7)]]>e=ωr|Ψs|2/3Vim---(8)]]>式(6)～式(8)中，Vim为矩阵变换器输入相电压峰值，将式(6)～式(8)代入式(4)和式(5)，得矩阵变换器转矩评价函数τ、磁链评价函数λ、反电势评价函数e与电机转矩变化率及磁链变化率函数关系式为：ddtTe∝τ-e---(9)]]>ddt|Ψs|∝λ---(10)]]>将矩阵变换器各有效矢量在x‑y轴的投影结果代入式(6)和式(7)，获得与各有效矢量对应的转矩、磁链评价函数；由此得一个由评价函数构成的集合，即矩阵变换器‑永磁同步电机系统转矩、磁链评价函数集：上表给出了+1～+9矢量构成的集合，表中αi表示输入相电压矢量相角；负矢量评价函数为相应正矢量评价函数的负数；零矢量评价函数恒为0；步骤二、根据步骤一的矩阵变换器‑永磁同步电机系统转矩、磁链评价函数集，建立矩阵变换器主从矢量开关表：将输入电压矢量相角αi和定子磁链矢量相角θs从‑π/6开始每隔π/3划为一个扇区，分别用hα和hθ表示；根据步骤一中的矩阵变换器‑永磁同步电机系统转矩、磁链评价函数集，判断每个扇区内各矩阵变换器矢量的转矩、磁链评价值的正负号关系，汇总得矩阵变换器主、从矢量开关表：矩阵变换器主矢量开关表如下：矩阵变换器从矢量开关表如下：矩阵变换器主矢量开关表和矩阵变换器从矢量开关表中，CT、和CΨ表示分别控制系统转矩增减需求、磁链幅值增减需求和输入功率因数增减需求；其中，CT＝+1表示矩阵变换器矢量使电机转矩增加，CT＝﹣1表示矩阵变换器矢量使电机转矩减小；CΨ＝+1表示矩阵变换器矢量使电机磁链幅值增加，CΨ＝﹣1表示矩阵变换器矢量使电机磁链幅值减小；表示矩阵变换器矢量使输入功率因数增加，表示矩阵变换器矢量使输入功率因数减小；在矢量选择时，将CT、和CΨ与控制要求相符的矢量定为主控矢量，用VM表示；将CT和与控制要求相符，CΨ与控制要求相反的矢量定为从属矢量，用VS表示；步骤三、根据步骤二选出主从矢量，并根据步骤一计算主从矢量占空比：设主、从矢量的转矩评价值为τM、τS，磁链评价值为λM、λS；主矢量占空比为dM，从矢量占空比为dS；则单位控制周期内主控矢量产生的转矩变化量为：△TeM＝k(τM‑e)dMtc   (11)式(11)中，k为比例系数；tc为DSP控制周期；从属矢量产生的转矩变化量为：△TeS＝k(τS‑e)dStc   (12)零矢量产生的转矩变化量为：△Te0＝‑ke(1‑dM‑dS)tc   (13)将式(11)～式(13)求和，得整个开关周期内的转矩变化量：△Te＝△TeM+△TeS+△Te0＝ktc(τMdM+τSdS‑e)   (14)整理式(14)，得转矩方程为：τMdM+τSdS=ΔTeKT+e---(15)]]>同理，得磁链方程为：λMdM+λSdS=Δ|Ψs|KΨ---(16)]]>式(12)～式(15)中，反电势评价函数e与电机转速有关，用式(8)计算；ΔTe为转矩给定值与反馈值差；Δ|Ψs|为磁链给定值与反馈值差；KT为转矩系数；KΨ为磁链系数；KT和KΨ均为正常数，根据式(4)～式(10)，采用如下表达式整定：KT=ϵT·3pVimtcLdLq[ψfLq-|Ψs|*(Lq-Ld)]---(17)]]>KΨ=ϵΨ·2Vimtc3---(18)]]>式(17)和式(18)中，εT和εΨ为矫正系数，εT和εΨ取值范围均为0.5～2之间；联立式(15)和式(16)求出占空比；步骤四、根据步骤三的计算结果对主从矢量占空比进行约束，并作用于电机系统，包括以下步骤：步骤4‑1)、先判断主矢量占空比dM是否介于0～1之间；如果dM≤0，则不论dS取值多少，主、从矢量占空比输出结果一律为dM＝0，dS＝0；如果dM≥1，则不论dS取值多少，主、从矢量占空比输出结果一律为dM＝1，dS＝0；如果0＜dM＜1，则进入步骤4‑2)继续判断；步骤4‑2)、根据步骤4‑1)，当0＜dM＜1时，判断从矢量占空比dS是否合理；如果dS≤0，则dS不合理，主、从矢量占空比输出结果为：dM保持不变，dS强制等于0；如果dM+dS≥1，则dS不合理，主、从矢量占空比输出结果为：dM保持不变，dS强制等于1－dM；如果dS＞0且dM+dS＜1，则dS合理，主、从矢量占空比输出结果为：dM和dS保持不变；约束后的主、从矢量占空比用于驱动电机系统。