[發明專利]一種基于占空比技術降低電機轉矩脈動的系統及方法

在審

• 申請號: 201710660816.0
• 申請日: 2017-08-04
• 公開（公告）號: CN107453661A
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 胡文斌;張玄池;胡文植;謝文博;周琴
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H02P21/05
• 分類號: H02P21/05;H02P21/30;H02P21/28
• 代理公司: 南京理工大學專利中心32203
• 代理人: 薛云燕

技術領域

本發明涉及異步電機的直接轉矩控制系統技術領域，特別是一種基于占空比技術降低電機轉矩脈動的系統及方法。

背景技術

直接轉矩控制技術的基本思想是實時采樣定子三相電壓與電流，進而通過計算跟蹤定子磁鏈與電磁轉矩，分別與系統給定定子磁鏈幅值和系統轉矩參考值進行比較，將兩項差值代入磁鏈滯環控制器與轉矩滯環控制器，綜合兩個滯環控制器輸出信號，選擇合適的電壓矢量施加到異步電機，最終實現電磁轉矩的直接控制。直接轉矩控制技術計算方便、控制方式簡單，根據滯環控制器的輸出及扇區信號查表輸出電壓矢量的操作也易于數字實現，但同時也存在轉矩脈動過大等問題。

傳統直接轉矩技術所用到的開關狀態表由基本電壓矢量構成，從該表中選擇某個系統所需的電壓矢量后，該電壓矢量一直作用于電機，因此定子三相電流、電磁轉矩等物理量將在開關周期內始終沿著一個方向變化；在瞬時電磁轉矩值與系統參考電磁轉矩值的差值較小的情況下，所選擇的基本電壓空間矢量可能在較短時間內就可使瞬時轉矩達到參考值，但是在開關周期內余下的時間里由于該基本電壓空間矢量繼續作用，因此電磁轉矩按照達到系統參考電磁轉矩值的趨勢繼續變化，直到系統前級對所施加電壓矢量進行修改，因此不可避免地造成逆變器開關頻率不固定以及磁鏈和轉矩的脈動等問題。

同時，逆變器的開關時刻受系統多個量控制，并且由于電力電子器件本身所有的頻率限制，當電機處于高速狀態且轉矩調節器所設定的滯環容差過小時，會因為電磁轉矩值頻繁穿越轉矩滯環的上下限，從而造成非常大的開關器件開關損耗；而當電機處于低速狀態時，滯環環寬相對于電機轉速顯得過大，此時也會造成較大的轉矩脈動。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于占空比技術降低電機轉矩脈動的系統及方法，在保證傳統直接轉矩控制系統結構簡單性以及對負載轉矩快速響應性的同時，有效減小電磁轉矩脈動，維持逆變器開關頻率恒定，從而減小系統開關損耗，改善直接轉矩控制系統的控制性能。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于占空比技術降低電機轉矩脈動的系統，其特征在于，包括：

電機狀態監測模塊，用于對異步電機運行過程中電機轉速ω、定子繞組瞬時相電壓和相電流進行采集，從而計算出電磁轉矩T_e、定子磁鏈幅值的信息；

電壓矢量生成模塊，用于判斷定子磁鏈所在扇區，根據電機狀態監測模塊得到的信息，計算定子磁鏈幅值的偏移與電磁轉矩的偏移，并生成電機控制信號，選擇當前所需輸出的基本電壓矢量；

占空比計算模塊，根據電機狀態監測模塊得到的信息，結合定子磁鏈在對應扇區中所處的位置，生成占空比值，即當前所需輸出的基本電壓矢量作用時間；

電機運行控制模塊，根據電壓矢量生成模塊確定的當前需要輸出的基本電壓矢量，結合占空比計算模塊計算得到的基本電壓矢量作用時間，來進行電機運行的控制。

進一步地，所述電機狀態監測模塊包括轉速監測模塊、磁鏈計算模塊、轉矩計算模塊，其中：

所述轉速監測模塊，通過傳感器直接監測異步電機實時轉速；

所述磁鏈計算模塊，在定子繞組瞬時相電壓和相電流數據采集的基礎上，根據異步電機的轉速信息，選取磁鏈計算模型：選擇電機額定轉速的30％±5％的區域作為切換區，額定轉速的30％作為切換區的中點；當電機轉速低于額定轉速的25％時，選用u-i模型；當電機轉動角速度高于額定轉速的35％時，選用i-ω模型；當電機轉動角速度處于額定轉速的25％到35％時，在區間內進行兩種模型磁鏈估計結果的加權運算；

所述轉矩計算模塊，在定子繞組瞬時相電壓和相電流數據采集的基礎上，根據公式結合磁鏈計算模塊所得的特征參數，計算得到電磁轉矩T_e；其中，n_p為電機極對數，σ為漏感系數，L_m為定轉子互感，L_s為定子自感，L_r為轉子自感，為轉子磁鏈，為定子磁鏈。

進一步地，所述電壓矢量生成模塊包括轉速調節模塊、轉矩調節模塊、磁鏈調節模塊、扇區判斷模塊、電壓矢量選擇模塊，其中：

所述轉速調節模塊，將異步電機轉動角速度與預設的轉速值進行比例積分調節，得出給定轉矩值T_e^*；