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一种基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法

申请号 CN202311789813.9 申请日 2023-12-22 公开(公告)号 CN117955383A 公开(公告)日 2024-04-30
申请人 江苏科技大学; 发明人 张东; 智鹏飞; 魏海峰; 张懿; 朱琬璐; 崔佳;
摘要 本 发明 公开了一种基于虚拟 电压 矢量的多相 电机 控制方法,包括如下步骤:步骤1:获取多相永磁同步电机 定子 电流 ;步骤2:根据定子电流估算磁链、磁链与α轴的夹 角 以及转矩;步骤3:通过低阶滞环控制 算法 获取磁链需要调整的状态;根据磁链与α轴的夹角获取磁链所处扇区;通过五阶滞环控制算法获取转矩需要调整的状态;步骤4:构建虚拟电压选择 开关 表,根据磁链需要调整的状态、磁链所处扇区、转矩需要调整的状态在开关表内选择对应的虚拟电压矢量;步骤5:根据选择的虚拟电压矢量控制对多相电机进行控制。本发明是在直接转矩控制的 基础 上对转矩滞环 控制器 部分进行优化,从而达到减小转矩脉动的目的。
权利要求

1.一种基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:获取多相永磁同步电机在基波平面α‑β中的定子电流
步骤2:根据步骤1中获取的定子电流估算磁链、磁链与α轴的夹以及转矩;
步骤3:通过低阶滞环控制算法获取磁链需要调整的状态;根据磁链与α轴的夹角获取磁链在基波平面α‑β内所处扇区;通过五阶滞环控制算法获取转矩需要调整的状态;
其中,磁链需要调整的状态包括:减少、不变、增大;转矩需要调整的状态包括:快速减小、减小、不变、增大、快速增大;
步骤4:构建虚拟电压选择开关表,根据磁链需要调整的状态、磁链所处扇区、转矩需要调整的状态在开关表内选择对应的虚拟电压矢量;
步骤5:根据选择的虚拟电压矢量控制对多相电机进行控制。
2.如权利要求1所述的基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法,其特征在于,所述磁链的估算公式为:
式中,其中isα和isβ为通过静止Clark变换所得到的两相静止坐标系的定子电流分量;
ψsα和ψsβ则是磁链在αβ平面的磁链分量;|ψs|和θs为磁链和转矩估算模得到的定子磁链幅值和角度。
3.如权利要求1所述的基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法,其特征在于,所述转矩的估算公式为:
Te=3p(ψsαisβ‑ψsβisα)
式中,Te为转矩,p为极对数,改公式是定子磁链表达形式。
4.如权利要求1所述的基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法,其特征在于,所述转矩的估算公式可转换为:
式中,ψf为转子磁链,δ为转矩角。
5.如权利要求1所述的基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法,所述五阶滞环控制算法具体为:
6.如权利要求5所述的基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法,所述bt1与bt2比值为
1:0.73。
7.如权利要求1所述的基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法,所述构建虚拟电压选择开关表具体为:表格行为转矩需要调整的状态;表格列为磁链需要调整的状态;表格内容为对应的虚拟电压矢量。
8.如权利要求7所述的基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法,所述虚拟电压选择开关表中,转矩需要调整的状态、磁链需要调整的状态、虚拟电压矢量的关系为:
当转矩需增大、磁链需增大时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区加一个扇区所对应的虚拟电压矢量;
当转矩需快速增大、磁链需增大时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区加两个扇区所对应的虚拟电压矢量;
当转矩需减小、磁链需增大时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区减两个扇区所对应的虚拟电压矢量;
当转矩需快速减少、磁链需增大时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区减三个扇区所对应的虚拟电压矢量;
当转矩需增大、磁链需减少时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区加四个扇区所对应的虚拟电压矢量;
当转矩需快速增大、磁链需减少时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区加三个扇区所对应的虚拟电压矢量;
当转矩需减少、磁链需减少时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区减五个扇区所对应的虚拟电压矢量;
当转矩需快速减少、磁链需减少时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区减四个扇区所对应的虚拟电压矢量。

说明书全文

一种基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电机控制技术领域,具体涉及一种基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法。

背景技术

[0002] 多相永磁电机因其可靠性高、功率小、转矩脉动小等优点,在许多应用中取代了传统的三相永磁电机。国内外目前针对双三相直接转矩控制存在的问题,提出了一些改进的直接转矩策略用于提高双三相电机的控制性能。主要的技术方案有采用虚拟电压矢量以的方法实现减小谐波电流。但转矩脉动的问题仍然存在。
[0003] 其中《一种多相永磁电机模型预测控制中的动态虚拟电压矢量合成方法》是使用虚拟电压矢量和零矢量来消除谐波电流,虽然谐波电流有了较大的改善,但是转矩脉动依然存在。
[0004] 因此如何在保证消除谐波平面的谐波电流的前提下如何降低电机在运行时所产生的转矩脉动是目前亟需解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法,以解决现有技术中在消除谐波电流的谐波平面时会产生转矩脉动的问题。
[0006] 本发明提供了一种基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法,包括如下步骤:
[0007] 步骤1:获取多相永磁同步电机在基波平面α‑β中的定子电流;
[0008] 步骤2:根据步骤1中获取的定子电流估算磁链、磁链与α轴的夹以及转矩;
[0009] 步骤3:通过低阶滞环控制算法获取磁链需要调整的状态;根据磁链与α轴的夹角获取磁链在基波平面α‑β内所处扇区;通过五阶滞环控制算法获取转矩需要调整的状态;
[0010] 其中,磁链需要调整的状态包括:减少、不变、增大;转矩需要调整的状态包括:快速减小、减小、不变、增大、快速增大;
[0011] 步骤4:构建虚拟电压选择开关表,根据磁链需要调整的状态、磁链所处扇区、转矩需要调整的状态在开关表内选择对应的虚拟电压矢量;
[0012] 步骤5:根据选择的虚拟电压矢量控制对多相电机进行控制。
[0013] 进一步地,所述磁链的估算公式为:
[0014]
[0015] 式中,其中isα和isβ为通过静止Clark变换所得到的两相静止坐标系的定子电流分量;ψsα和ψsβ则是磁链在αβ平面的磁链分量;|ψs|和θs为磁链和转矩估算模得到的定子磁链幅值和角度;
[0016] 进一步地,所述转矩的估算公式为:
[0017] Te=3p(ψsαisβ‑ψsβisα)
[0018] 式中,Te为转矩,p为极对数,改公式是定子磁链表达形式;
[0019] 进一步地,所述转矩的估算公式可转换为:
[0020]
[0021] 式中,ψf为转子磁链,δ为转矩角;
[0022] 进一步地,所述五阶滞环控制算法具体为:
[0023]
[0024] 进一步地,所述bt1与bt2比值为1:0.73。
[0025] 进一步地,所述构建虚拟电压选择开关表具体为:表格行为转矩需要调整的状态;表格列为磁链需要调整的状态;表格内容为对应的虚拟电压矢量。
[0026] 进一步地,所述虚拟电压选择开关表中,转矩需要调整的状态、磁链需要调整的状态、虚拟电压矢量的关系为:
[0027] 当转矩需增大、磁链需增大时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区加一个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0028] 当转矩需快速增大、磁链需增大时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区加两个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0029] 当转矩需减小、磁链需增大时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区减两个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0030] 当转矩需快速减少、磁链需增大时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区减三个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0031] 当转矩需增大、磁链需减少时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区加四个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0032] 当转矩需快速增大、磁链需减少时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区加三个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0033] 当转矩需减少、磁链需减少时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区减五个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0034] 当转矩需快速减少、磁链需减少时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区减四个扇区所对应的虚拟电压矢量。
[0035] 本发明的有益效果:
[0036] 本发明是在直接转矩控制的基础上对转矩滞环控制器部分进行优化,从而达到减小转矩脉动的目的。首先通过观测器观测电机的定子电流,通过磁链估算公式计算得到磁链、转矩角、转矩等相关参数。其中通过计算得到的转矩角来判断磁链所在的扇区,本发明中的扇区是由12个虚拟电压矢量进行分区;对于磁链部分依然使用传统的磁链控制器来对磁链进行判断;转矩部分则优化了转矩控制器,将转矩幅值进一步细分,通过细分状态来选择更加合适的电压矢量,这就大大降低了转矩脉动,本发明还根据细分后的转矩滞环控制器更新了相对应的开关表,使逆变器能够快速响应,提高了电机的控制效率。附图说明
[0037] 通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点,附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制,在附图中:
[0038] 图1为本发明具体实施例的流程示意图;
[0039] 图2为本发明具体实施例的虚拟矢量电压矢量扇区分布图;
[0040] 图3为本发明具体实施例的五阶滞环控制算法原理示意图;
[0041] 图4为本发明具体实施例的控制框图
[0042] 图5为本发明具体实施例的虚拟电压开关表选择原则示意图;
[0043] 图6为现有方法的转矩幅值图;
[0044] 图7为本发明方法的转矩幅值图。

具体实施方式

[0045] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0046] 如图1、4所示,本发明实施例提供一种基于虚拟电压矢量的多相电机控制方法,其中图4是在传统的直接转矩控制系统的基础上,改善了转矩滞环控制器以及开关表的直接转矩控制框图。以双三相永磁同步电机为例,包括如下步骤:
[0047] 步骤1:获取双三相永磁同步电机在基波平面α‑β中的定子电流:
[0048] 首先由观测器即电流传感器测量出双三相永磁同步电机的定子电流,将得到的双三相定子电流通过变化矩阵映射到三个互相正交的子空间中,通过计算得出α‑β平面中的定子电流即isα和isβ,其中,变化矩阵为:
[0049]
[0050] 式中,矩阵系数1/3表示幅值不变约束,α‑β平面可以用Clark矩阵的前两行计算得到,产生电磁转矩所要的电流基本都在α‑β平面中;x‑y平面可以用Clark矩阵的中间两行计算得到,x‑y平面没有基波分量,所以此平面中的电流在电机运行过程中不会参加电机能量转换;
[0051] 步骤2:根据步骤1中获取的定子电流估算磁链、磁链与α轴的夹角以及转矩;
[0052] 其中,磁链的估算公式为:
[0053]
[0054] 式中,其中isα和isβ为通过静止Clark变换所得到的两相静止坐标系的定子电流分量;ψsα和ψsβ则是磁链在αβ平面的磁链分量;|ψs|和θs为磁链和转矩估算模块得到的定子磁链幅值和角度;
[0055] 转矩的估算公式为:
[0056] Te=3p(ψsαisβ‑ψsβisα)
[0057] 或
[0058] 式中,Te为转矩,p为极对数,ψf为转子磁链,δ为转矩角;
[0059] 根据现有的虚拟电压矢量技术,求得的无谐波电压分量的虚拟电压矢量如图2所示,共12个固定的矢量电压,即V1~V12,对于扇区的划分,由12个虚拟电压矢量将整个圆周等分为12个扇区,其中每个扇区夹角为30°其中扇区具体角度分布如下表1所示:
[0060]扇区 1 2 3 4 5 6
角度(°) ‑15‑15 15‑45 45‑75 75‑105 105‑135 135‑165
扇区 7 8 9 10 11 12
角度(°) 165‑195 195‑225 225‑255 255‑285 285‑315 315‑345
[0061] 表1
[0062] 步骤3:通过低阶滞环控制器中的低阶滞环控制算法获取磁链需要调整的状态;根据磁链与α轴的夹角获取磁链在基波平面α‑β内所处扇区;通过五阶滞环控制器中的五阶滞环控制算法获取转矩需要调整的状态;
[0063] 其中,磁链需要调整的状态包括:减少、不变、增大,分别赋予:‑1、0、1;转矩需要调整的状态包括:快速减小、减小、不变、增大、快速增大,分别赋予:‑2、‑1、0、1、2;如图2所示,12个虚拟电压构成12个扇区,
[0064] 低阶转矩滞环控制算法具体为:
[0065]
[0066] 如图3所示,,五阶转矩滞环控制算法具体为:
[0067]
[0068] 对于b1、b2的设置,因为本发明使用的虚拟电压矢量使用的是大矢量和中大矢量合成,且电压矢量对转矩的增益效果与其自身的电压矢量幅值是成正比的,因此参考虚拟电压矢量合成过程如下:
[0069]
[0070] 得到
[0071]
[0072] 其中,大矢量、中大矢量已经中矢量对应的比例为1:0.73:0.27。bt1与bt2对应的是大矢量和中大矢量,所以bt1与bt2的比值应为1:0.73。
[0073] 步骤4:如图5所示,构建虚拟电压选择开关表,根据磁链需要调整的状态、磁链所处扇区、转矩需要调整的状态在开关表内选择对应的虚拟电压矢量:
[0074] 构建虚拟电压选择开关表如下表2所示:
[0075]Sk T=1 T=2 T=0 T=‑1 T=‑2
F=1 Vk+1 Vk+2 V0 Vk‑2 Vk‑3
F=‑1 Vk+4 Vk+3 V0 Vk‑5 Vk‑4
[0076] 表2
[0077] 其中,表格行为转矩需要调整的状态;表格列为磁链需要调整的状态;表格内容为对应的虚拟电压矢量;
[0078] 以磁链在扇区1为例,其中V2、V3、V4、V5合成虚拟电压矢量都会使转矩幅值增大,其中V3、V4与磁链的夹角更靠近90°,使得转矩增加的幅值更大,因此可归属于滞环控制器的外环中;V2、V5也会使转矩幅值增大,但时增加幅值较小,因此归属于滞环控制器的外环中;其余同理。
[0079] 虚拟电压选择开关表中,转矩需要调整的状态、磁链需要调整的状态、虚拟电压矢量的关系为:
[0080] 当转矩需增大、磁链需增大时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区加一个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0081] 当转矩需快速增大、磁链需增大时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区加两个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0082] 当转矩需减小、磁链需增大时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区减两个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0083] 当转矩需快速减少、磁链需增大时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区减三个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0084] 当转矩需增大、磁链需减少时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区加四个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0085] 当转矩需快速增大、磁链需减少时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区加三个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0086] 当转矩需减少、磁链需减少时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区减五个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0087] 当转矩需快速减少、磁链需减少时,虚拟电压矢量为当前磁链所处扇区减四个扇区所对应的虚拟电压矢量;
[0088] 简化为:
[0089] (1)T=1、F=1;(转矩增大,磁链增大)
[0090] (2)T=1、F=‑1;(转矩增大,磁链减小)
[0091] (3)T=2、F=1;(转矩快速增大,磁链增大)
[0092] (4)T=2、F=‑1;(转矩快速增大,磁链减小)
[0093] (5)T=‑1、F=1;(转矩减小,磁链增大)
[0094] (6)T=‑1、F=‑1;(转矩减小,磁链减小)
[0095] (7)T=‑2、F=1;(转矩快速减小,磁链增大)
[0096] (8)T=‑2、F=‑1;(转矩快速减小,磁链减小)
[0097] 步骤5:根据选择的虚拟电压矢量控制对多相电机进行控制。
[0098] 图6是现有方法转矩幅值图,图7是本发明通过MATLAB仿真后的转矩幅值。
[0099] 虽然结合附图描述了本发明的实施例,但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型,这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
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