本發(fā)明涉及一種電機控制算法的改進(jìn)方案，屬于電機控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后又一新型的高效變頻調(diào)速技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點。但傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在運行過程中轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動太大，嚴(yán)重地限制了直接轉(zhuǎn)矩控制算法的應(yīng)用，針對這一缺陷的改進(jìn)具有重大意義。

SVM-DTC控制算法就是在這樣的前提下提出的一種直接轉(zhuǎn)矩控制算法的改進(jìn)方案。其控制思想為：在一個控制周期內(nèi)選擇兩個非零電壓矢量和一個零電壓矢量，根據(jù)系統(tǒng)反饋值，計算所需電壓大小，在計算出合成此電壓所需要的非零電壓矢量和零電壓矢量的作用時間，便可以合成所需要的任意時刻的電壓值，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩快速控制及轉(zhuǎn)矩和磁鏈的無靜差控制。

與傳統(tǒng)DTC相比較，SVM-DTC省去了滯環(huán)比較器和開關(guān)表，用一個PI調(diào)節(jié)器定子磁鏈觀測器來確定定子磁鏈增量。再根據(jù)定子磁鏈增量和轉(zhuǎn)矩角增量以及定子參考磁鏈幅值計算出下一個周期所需補償?shù)碾妷菏噶?，用空間電壓矢量合成模塊合成所需電壓，輸出相應(yīng)的PWM波來驅(qū)動逆變器。傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制觀測的是電動機當(dāng)前運行周期內(nèi)的磁鏈轉(zhuǎn)矩值，與設(shè)定值進(jìn)行比較之后，決定下一個周期所使用的電壓矢量，電壓在一個周期內(nèi)只能變換一次，從而產(chǎn)生一個周期的滯后。而SVM-DTC采用“預(yù)測”的思想，通過當(dāng)前所觀測定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩值，計算出可以使定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩達(dá)到給定值的下一個采樣點所需要的電壓矢量，力圖在下一個采樣點時，就使觀測轉(zhuǎn)矩和磁鏈幅值都等于給定值，可以有效地減小磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩的脈動,改善控制效果。

但是，SVM-DTC控制算法雖然實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速控制以及轉(zhuǎn)矩和磁鏈的無靜差控制，及大地減小了磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動，改善了控制性能，但卻從某種程度上降低了直接轉(zhuǎn)矩控制的簡單性這一特點，從SVM-DTC控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程可以看出，電壓參考矢量的計算摻雜了磁鏈，轉(zhuǎn)速等一系列復(fù)雜的計算，加之空間矢量合成模塊的計算量本來就已非常復(fù)雜，更使原本簡單易實現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)變得復(fù)雜冗長。

本文針對SVM-DTC缺點提出了一種基于磁鏈誤差矢量法的改進(jìn)方案：通過保留DTC的簡單性來簡化SVM-DTC，即直接由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的PI調(diào)節(jié)來確定參考電壓矢量，同時獲得磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩角，省去了磁鏈和轉(zhuǎn)速的計算，保留了直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)簡單性，因此，本發(fā)明具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一種基于定子磁鏈誤差矢量方法的SVM-DTC算法，該方法簡化了原有的SVM-DTC算法，保留了傳統(tǒng)DTC簡單性優(yōu)點，包括以下步驟：

1)定子磁鏈誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)可以獲得電壓矢量相角

靜止坐標(biāo)系下定子磁鏈方程為

U_s，R_s，i_s為定子電壓向量、電阻和電流；

由于定子磁鏈與電壓矢量之間的積分關(guān)系，使得兩者在本質(zhì)上相互垂直。改變電壓矢量的幅值可以使定子磁鏈轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而引起轉(zhuǎn)矩角(或轉(zhuǎn)矩的變化)，通過改變電壓矢量方向來實現(xiàn)對磁鏈幅值的改變，即電壓矢量相角與定子磁鏈幅值成比例關(guān)系。通過施加不同方向的電壓矢量，定子磁鏈有三種可能的狀態(tài)：

其中，

式中，u₁，u₂，u₃分別為使定子磁鏈變大、不變、變小的不同方向的空間電壓矢量，Δt為單位作用時間。

綜上所述，參考電壓矢量的相角可直接由磁鏈經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后獲得。電壓矢量相角公式可以表示為

式中，M_p，M_i分別為比例和積分系數(shù)，θ(k)為磁鏈位置角。

2)轉(zhuǎn)矩誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)可以獲得電壓矢量幅值

在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，SVM-DTC原始方案中，PMSM電磁轉(zhuǎn)矩由磁鏈和轉(zhuǎn)矩角計算而得，電磁轉(zhuǎn)矩計算公式如下

其中，為定子磁鏈向量，為轉(zhuǎn)子永磁體大小。T_e是電磁轉(zhuǎn)矩，L_q，L_d分別為定子直軸和交軸電感，δ是定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的電磁角度，即轉(zhuǎn)矩角。

對于面貼式PMSM，有L_d＝L_q＝L_s，故dq坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩公式可以寫成

當(dāng)既能保證Te和δ之間的線性關(guān)系且使得電機電流較小，所以的期望值通常取值為當(dāng)定子磁鏈幅值為恒定值時，轉(zhuǎn)矩變化量只與δ相關(guān)。

根據(jù)電機實際運行過程可知，改變轉(zhuǎn)矩角(或轉(zhuǎn)矩)的最快最有效的方法是調(diào)節(jié)定子磁鏈垂直方向的電壓矢量的幅值，根據(jù)前面的推論，定子磁鏈垂直方向的電壓矢量幅值即為合成電壓矢量的幅值，即電壓矢量幅值與電磁轉(zhuǎn)矩成比例。參考電壓矢量的幅值可直接由轉(zhuǎn)矩經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后獲得。電壓矢量幅值計算公式可以表示為

其中，K_p，K_i分別為比例和積分系數(shù)，為電磁轉(zhuǎn)矩參考值。

本發(fā)明是一種對基于磁鏈誤差矢量方法的SVM-DTC算法的優(yōu)化方案，摒棄了原有的SVM-DTC定子磁鏈誤差的復(fù)雜計算方式，直接通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差的PI調(diào)節(jié)獲得電壓矢量的幅值和相角，在保留傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制算法的簡單性的同時，有效降低轉(zhuǎn)矩脈動，改善了控制系統(tǒng)動、靜態(tài)性能。

附圖說明

圖1為改進(jìn)后控制系統(tǒng)原理圖

圖2為控制系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的仿真模型

具體實施方式

經(jīng)方案改進(jìn)后的SVM-DTC實現(xiàn)過程如下：

1.定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的計算

電動機在αβ坐標(biāo)系下的磁鏈方程為：

磁鏈幅值

兩相靜止坐標(biāo)系下電動機電磁轉(zhuǎn)矩為：

2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)使用PI調(diào)節(jié)，霍爾元件或編碼器測得轉(zhuǎn)速的實際值ω，與設(shè)定轉(zhuǎn)速ω^*同時作為PI調(diào)解器的輸入量，通過調(diào)節(jié)比例和積分系數(shù)是控制最優(yōu)，輸出轉(zhuǎn)矩的參考值T^*。

3.參考電壓矢量幅值和相角的估算

經(jīng)過改進(jìn)后的SVM-DTC，參考電壓矢量的幅值和相角可直接由轉(zhuǎn)矩和磁鏈分別經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后獲得。電壓矢量幅值計算公式為

其中，K_p，K_i分別為比例和積分系數(shù)。為電磁轉(zhuǎn)矩參考值，由轉(zhuǎn)速

經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器獲得，電壓矢量相角計算公式為

式中，M_p，M_i分別為比例和積分系數(shù)，θ(k)為磁鏈位置角。

4.空間電壓矢量的合成

(1)參考電壓U_s所在扇區(qū)判斷

在αβ坐標(biāo)系下，根據(jù)參考電壓在各扇區(qū)時所需滿足的條件可知，U_s所在扇區(qū)完全由U_β,來確定。

設(shè)

則

A，B，C值與扇區(qū)N之間的關(guān)系可以表示為

N＝A+2B+4C

(2)合成參考電壓矢量U_s的非零矢量和零矢量作用時間的確定

空間矢量U_s是一個以角速度旋轉(zhuǎn)的空間矢量，設(shè)任意相鄰的兩個非零電壓矢量u₁，u₂的作用時間為t₁，t₂，采樣周期為T，根據(jù)伏秒平衡原則

其中，u₀表示零電壓矢量。令t₀＝T-t₁-t₂此公式表示U_s在一個采樣周期T內(nèi)作用的積分效果等價于u₁，u₂，u₀分別在t₁，t₂，t₀時間內(nèi)作用的積分值的和。

上式用平均等效原則可以表示為

U_s*T＝u₁*t₁+u₂*t₂

得

在αβ坐標(biāo)系下，有如下關(guān)系

式中，θ為U_s與α軸之間的夾角。

用頻率為1/T的三角波對空間電壓矢量進(jìn)行調(diào)制，輸出六路PWM波，對逆變器進(jìn)行驅(qū)動。