[發明專利]一種改善轉矩及磁鏈性能的矩陣變換器直接轉矩控制方法

有效

• 申請號: 201410130933.2
• 申請日: 2014-04-02
• 公開（公告）號: CN103944471B
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發明（設計）人: 夏長亮;趙家欣;閻彥;史婷娜
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02P21/30
• 分類號: H02P21/30;H02P25/022
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 李麗萍

1.一種改善轉矩及磁鏈性能的矩陣變換器直接轉矩控制方法，包括以下步驟：

步驟一、建立矩陣變換器-永磁同步電機系統轉矩、磁鏈評價函數集：

建立空間旋轉坐標系x-y，且將定子磁鏈Ψ_s定位在x軸上，則永磁同步電機定子電壓方程為：

vx=Rsix+ddt|Ψs|vy=Rsiy+ωs|Ψs|---(1)]]>

式(1)中，v_x、v_y、i_x、i_y分別為定子電壓矢量、定子電流矢量在x-y軸上的投影；|Ψ_s|為定子磁鏈幅值；ω_s為定子磁鏈旋轉角速度；R_s為定子電阻；

永磁同步電機轉矩變化率方程為：

ddtTe=3p|Ψs|2LdLq[ψfLqcosδ-|Ψs|(Lq-Ld)cos2δ]dδdt---(2)]]>

式(2)中，T_e、δ、ψ_f、L_d、L_q、p、t分別為電磁轉矩、轉矩角、永磁體磁鏈、直軸等效電感、交軸等效電感、電機極對數和時間；其中，轉矩角變化率為：

dδdt=d(θs-θr)dt=ωs-ωr---(3)]]>

式(3)中，θ_s、θ_r、ω_r分別為電機定子磁鏈矢量相角、轉子磁鏈矢量相角和轉子旋轉電角速度，忽略定子電阻，結合式(1)～式(3)得定子磁鏈幅值變化率和電磁轉矩變化率分別為：

ddt|Ψs|=vx---(4)]]>

ddtTe=K(vy-ωr|Ψs|)---(5)]]>

式(5)中，K＝(3p/2L_dL_q)[ψ_fL_qcosδ-|Ψ_s|(L_q-L_d)cos2δ]；

將矩陣變換器各有效電壓矢量在定子磁鏈旋轉坐標系x-y下進行投影，投影長度分別用v_x、v_y表示；定義矩陣變換器轉矩評價函數τ、磁鏈評價函數λ、反電勢評價函數e如下：

τ=vy2/3Vim---(6)]]>

λ=vx2/3Vim---(7)]]>

e=ωr|Ψs|2/3Vim---(8)]]>

式(6)～式(8)中，V_im為矩陣變換器輸入相電壓峰值，將式(6)～式(8)代入式(4)和式(5)，得矩陣變換器轉矩評價函數τ、磁鏈評價函數λ、反電勢評價函數e與電機轉矩變化率及磁鏈變化率函數關系式為：

ddtTe∝τ-e---(9)]]>

ddt|Ψs|∝λ---(10)]]>

將矩陣變換器各有效矢量在x-y軸的投影結果代入式(6)和式(7)，獲得與各有效矢量對應的轉矩、磁鏈評價函數；由此得一個由評價函數構成的集合，即矩陣變換器-永磁同步電機系統轉矩、磁鏈評價函數集：

上表給出了+1～+9矢量構成的集合，表中α_i表示輸入相電壓矢量相角；負矢量評價函數為相應正矢量評價函數的負數；零矢量評價函數恒為0；

步驟二、根據步驟一的矩陣變換器-永磁同步電機系統轉矩、磁鏈評價函數集，建立矩陣變換器主從矢量開關表：

將輸入電壓矢量相角α_i和定子磁鏈矢量相角θ_s從-π/6開始每隔π/3劃為一個扇區，分別用h_α和h_θ表示；根據步驟一中的矩陣變換器-永磁同步電機系統轉矩、磁鏈評價函數集，判斷每個扇區內各矩陣變換器矢量的轉矩、磁鏈評價值的正負號關系，匯總得矩陣變換器主、從矢量開關表：

矩陣變換器主矢量開關表如下：

矩陣變換器從矢量開關表如下：

矩陣變換器主矢量開關表和矩陣變換器從矢量開關表中，C_T、和C_Ψ表示分別控制系統轉矩增減需求、磁鏈幅值增減需求和輸入功率因數增減需求；其中，

C_T＝+1表示矩陣變換器矢量使電機轉矩增加，C_T＝﹣1表示矩陣變換器矢量使電機轉矩減?。?!-- SIPO -->

C_Ψ＝+1表示矩陣變換器矢量使電機磁鏈幅值增加，C_Ψ＝﹣1表示矩陣變換器矢量使電機磁鏈幅值減?。?/p>

表示矩陣變換器矢量使輸入功率因數增加，表示矩陣變換器矢量使輸入功率因數減?。?/p>

在矢量選擇時，

將C_T、和C_Ψ與控制要求相符的矢量定為主控矢量，用V_M表示；

將C_T和與控制要求相符，C_Ψ與控制要求相反的矢量定為從屬矢量，用V_S表示；

步驟三、根據步驟二選出主從矢量，并根據步驟一計算主從矢量占空比：

設主、從矢量的轉矩評價值為τ_M、τ_S，磁鏈評價值為λ_M、λ_S；主矢量占空比為d_M，從矢量占空比為d_S；則單位控制周期內主控矢量產生的轉矩變化量為：

△T_eM＝k(τ_M-e)d_Mt_c (11)

式(11)中，k為比例系數；t_c為DSP控制周期；從屬矢量產生的轉矩變化量為：

△T_eS＝k(τ_S-e)d_St_c (12)

零矢量產生的轉矩變化量為：

△T_e0＝-ke(1-d_M-d_S)t_c (13)

將式(11)～式(13)求和，得整個開關周期內的轉矩變化量：

△T_e＝△T_eM+△T_eS+△T_e0＝kt_c(τ_Md_M+τ_Sd_S-e) (14)

整理式(14)，得轉矩方程為：

τMdM+τSdS=ΔTeKT+e---(15)]]> 3

同理，得磁鏈方程為：

λMdM+λSdS=Δ|Ψs|KΨ---(16)]]>

式(12)～式(15)中，反電勢評價函數e與電機轉速有關，用式(8)計算；ΔT_e為轉矩給定值與反饋值差；Δ|Ψ_s|為磁鏈給定值與反饋值差；K_T為轉矩系數；K_Ψ為磁鏈系數；K_T和K_Ψ均為正常數，根據式(4)～式(10)，采用如下表達式整定：

KT=ϵT·3pVimtcLdLq[ψfLq-|Ψs|*(Lq-Ld)]---(17)]]>

KΨ=ϵΨ·2Vimtc3---(18)]]>

式(17)和式(18)中，ε_T和ε_Ψ為矯正系數，ε_T和ε_Ψ取值范圍均為0.5～2之間；聯立式(15)和式(16)求出占空比；

步驟四、根據步驟三的計算結果對主從矢量占空比進行約束，并作用于電機系統，包括以下步驟：

步驟4-1)、先判斷主矢量占空比d_M是否介于0～1之間；

如果d_M≤0，則不論d_S取值多少，主、從矢量占空比輸出結果一律為d_M＝0，d_S＝0；

如果d_M≥1，則不論d_S取值多少，主、從矢量占空比輸出結果一律為d_M＝1，d_S＝0；

如果0＜d_M＜1，則進入步驟4-2)繼續判斷；

步驟4-2)、根據步驟4-1)，當0＜d_M＜1時，判斷從矢量占空比d_S是否合理；

如果d_S≤0，則d_S不合理，主、從矢量占空比輸出結果為：d_M保持不變，d_S強制等于0；

如果d_M+d_S≥1，則d_S不合理，主、從矢量占空比輸出結果為：d_M保持不變，d_S強制等于1－d_M；

如果d_S＞0且d_M+d_S＜1，則d_S合理，主、從矢量占空比輸出結果為：d_M和d_S保持不變；

約束后的主、從矢量占空比用于驅動電機系統。