[發(fā)明專利]一種改善轉(zhuǎn)矩及磁鏈性能的矩陣變換器直接轉(zhuǎn)矩控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410130933.2
• 申請(qǐng)日: 2014-04-02
• 公開（公告）號(hào): CN103944471B
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏長亮;趙家欣;閻彥;史婷娜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): H02P21/30
• 分類號(hào): H02P21/30;H02P25/022
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所12201
• 代理人: 李麗萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率變換器控制領(lǐng)域，具體涉及采用直接轉(zhuǎn)矩控制的矩陣變換器-永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能改善方法。

背景技術(shù)

矩陣變換器(matrix converter,MC)驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous motor,PMSM)系統(tǒng)具有體積小、效率高、諧波污染小、能量雙向流動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，極具發(fā)展前景。

直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control,DTC)于1986年提出，早期用于控制由電壓型逆變器(voltage source inverse,VSI)饋電的感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不依賴電機(jī)參數(shù)及無需旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換等優(yōu)勢(shì)，但存在轉(zhuǎn)矩、磁鏈波動(dòng)過大和開關(guān)頻率不固定的缺陷。針對(duì)上述缺陷，學(xué)者們提出多種改進(jìn)型DTC算法。隨著MC控制調(diào)制技術(shù)的不斷成熟，2001年，外國學(xué)者建立了MC開關(guān)表，成功將DTC應(yīng)用于由MC饋電的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。但由于MC-DTC采用與VSI-DTC類似的滯環(huán)比較器和電壓矢量選擇表的控制結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)系統(tǒng)也不可避免存在轉(zhuǎn)矩、磁鏈波動(dòng)過大和開關(guān)頻率不固定的問題。

為解決上述問題，有些學(xué)者針對(duì)MC多矢量特性開展研究，改進(jìn)滯環(huán)比較器及開關(guān)表。如：根據(jù)幅值細(xì)分MC有效電壓矢量為大、小矢量，采用五級(jí)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器選擇電壓矢量。研究表明，這類方法保持了DTC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等固有優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制效果良好，但存在開關(guān)頻率不固定的缺陷。將空間矢量調(diào)制技術(shù)與DTC策略相結(jié)合，一直是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。此類方法利用PI控制器、無差拍控制器等來取代傳統(tǒng)DTC中的滯環(huán)比較器，通過空間矢量調(diào)制的方法輸出所需電壓矢量。由于空間矢量調(diào)制技術(shù)可產(chǎn)生任意方向和大小的電壓矢量，因此這類方法可消除原滯環(huán)控制帶來的影響，改善系統(tǒng)性能，但是通常需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換且計(jì)算量大。還有一類改進(jìn)策略采用占空比控制，即將常規(guī)直接轉(zhuǎn)矩控制中的單矢量控制改為有效電壓矢量與零矢量控制，通過調(diào)節(jié)有效電壓矢量的作用時(shí)間，達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的目的。該方法較常規(guī)直接轉(zhuǎn)矩控制，僅增加占空比計(jì)算環(huán)節(jié)，因此在改善系統(tǒng)性能的同時(shí)可保持控制結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單和易實(shí)現(xiàn)性。但由于這種占空比控制方法只能產(chǎn)生方向固定，幅值不一的電壓矢量，因此無法實(shí)現(xiàn)定子磁鏈的有效調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容

為改善傳統(tǒng)MC-DTC的轉(zhuǎn)矩和磁鏈性能，獲得固定開關(guān)頻率，本發(fā)明提供一種改善轉(zhuǎn)矩及磁鏈性能的矩陣變換器直接轉(zhuǎn)矩控制方法，建立了MC-PMSM系統(tǒng)評(píng)價(jià)函數(shù)集，并根據(jù)MC有效矢量的控制特點(diǎn)，將其劃分為主控矢量和從屬矢量，采用雙有效矢量的占空比控制策略。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種改善轉(zhuǎn)矩及磁鏈性能的矩陣變換器直接轉(zhuǎn)矩控制方法，包括以下步驟：

步驟一、建立MC-PMSM系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩、磁鏈評(píng)價(jià)函數(shù)集：

建立空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系x-y，且將定子磁鏈Ψ_s定位在x軸上，則永磁同步電機(jī)定子電壓方程為：

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(zhuǎn)角速度；R_s為定子電阻；

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化率方程為：

式(2)中，T_e、δ、ψ_f、L_d、L_q、p、t分別為電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩角、永磁體磁鏈、直軸等效電感、交軸等效電感、電機(jī)極對(duì)數(shù)和時(shí)間；其中，轉(zhuǎn)矩角變化率為：

式(3)中，θ_s、θ_r、ω_r分別為電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶肯嘟恰⑥D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶肯嘟呛娃D(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角速度，忽略定子電阻，結(jié)合式(1)～式(3)可得定子磁鏈幅值變化率和電磁轉(zhuǎn)矩變化率分別為：

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