本發(fā)明屬于電機控制技術領域,具體涉及雙三相永磁同步電機高負載能力的直接轉(zhuǎn)矩控制方法。
背景技術:
多相永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)具有多自由度控制優(yōu)點,所以其驅(qū)動系統(tǒng)運行可靠性高,即使因電機繞組缺相或逆變橋臂故障,仍然可以借助剩余的控制自由度實現(xiàn)電機的容錯運行。由于采用永磁體激磁,流入定子繞組的電流中可以全部為有功成分,從而實現(xiàn)電機定子側高功率因數(shù)運行。所以,多相永磁同步電機在高可靠性、高功率因數(shù)要求場合具有獨特的應用優(yōu)勢。
其中雙三相永磁同步電機(雙三相pmsm)是典型的多相電機。該電機有兩套三相繞組,各個三相繞組中的三相互差120度電角度,兩套三相繞組偏移30度電角度,兩套三相繞組各有一個中心點。傳統(tǒng)控制策略中,兩套三相繞組的中心點不連接在一起,采用兩個完全相同的變頻器給兩套三相繞組獨立供電。當其中一套繞組或?qū)冾l器出現(xiàn)故障,對應三相繞組完全停止工作,剩余無故障的三相繞組獨立承擔驅(qū)動負載的功能。但這種兩套繞組中心點不連接的驅(qū)動方法缺點在于,有故障的三相系統(tǒng)可能其中有一相或兩相仍然可以工作,若流過電流仍然可以輸出電磁轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動負載;但若不工作,顯然,整個驅(qū)動系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩能力降低了。
而且,傳統(tǒng)的雙三相永磁同步電機沒有磁路凸極現(xiàn)象,電機電磁轉(zhuǎn)矩僅僅由定子電流與永磁體磁場相互作用產(chǎn)生,電機負載能力有所降低。
技術實現(xiàn)要素:
針對上述現(xiàn)有技術存在的問題,本發(fā)明提供一種雙三相永磁同步電機高負載能力的直接轉(zhuǎn)矩控制方法,目的是提高雙三相永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制能力。本發(fā)明中雙三相兩套繞組中心點連接在一起,且繞組反電動勢中含有較高比例的三次和五次諧波,利用六相逆變器輸出電壓矢量同時在基波平面和五次諧波平面中構建雙電磁轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈的直接控制方法,利用五次平面內(nèi)的電磁轉(zhuǎn)矩來增強電機的負載能力。
為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術方案是:一種雙三相永磁同步電機高負載能力的直接轉(zhuǎn)矩控制方法,包括如下步驟:
步驟s1:設電機有兩個三相繞組,分別為ace繞組和bdf繞組,各個三相繞組中的三相互差120度電角度,兩套三相繞組偏移30度電角度,兩套三相繞組各有一個中心點o點和o’點,將兩臺繞組的中心點o-o’連接,利用正交變換矩陣t6將電機的六相輸入電流isa~isf變換至α1β1-α5β5-α3β3靜止坐標系中,得到基波電流iα1和iβ1、五次諧波電流iα5和iβ5、三次諧波電流iα3和iβ3,α1β1、α5β5和α3β3分別為基波、五次諧波和三次諧波靜止坐標系;
步驟s2:根據(jù)步驟s1求解三次諧波電流iα3,與給定零電流進行比較,送入比較器后輸出變量i;
步驟s3:計算基波平面定子磁鏈ψsα1ψsβ1和五次諧波平面定子磁鏈ψsα5ψsβ5;
步驟s4:根據(jù)基波平面定子磁鏈ψsα1ψsβ1,計算出矢量ψs1的輻角∠θψs1,判斷矢量所處α1β1平面扇區(qū)編號θsi;根據(jù)五次諧波平面定子磁鏈ψsα5ψsβ5,計算出矢量ψs5的輻角∠θψs2,判斷矢量所處α5β5平面扇區(qū)編號θxi;
步驟s5:根據(jù)基波平面定子磁鏈ψsα1ψsβ1及定子磁鏈幅值給定值
根據(jù)五次諧波平面定子磁鏈ψsα5ψsβ5及定子磁鏈幅值給定值
步驟s6:計算基波平面電磁轉(zhuǎn)矩te1和五次諧波平面電磁轉(zhuǎn)矩te5;
步驟s7:將基波平面電磁轉(zhuǎn)矩te1及其給定值
將五次諧波平面電磁轉(zhuǎn)矩te5及其給定值
步驟s8:構建最優(yōu)開關矢量表,將變量i、τ1、τ2、
進一步地,所述步驟s3基波平面定子磁鏈ψsα1ψsβ1和五次諧波平面定子磁鏈ψsα5ψsβ5計算方法如下:
其中,lsm1=0.5(ldm1+lqm1),lrs1=0.5(ldm1-lqm1),
進一步地,所述步驟s3基波平面定子磁鏈ψsα1ψsβ1和五次諧波平面定子磁鏈ψsα5ψsβ5另一種計算方法如下:
利用正交變換矩陣將電機的六相輸入電壓usa~usf變換至α1β1-α5β5-α3β3靜止坐標系中,
根據(jù)α1β1、α5β5坐標系中電壓平衡方程式,
得到
其中,usα1和usβ1為基波定子電壓,usα5和usβ5為五次諧波定子電壓,rs為電機相繞組電阻。
進一步地,所述步驟s4的具體步驟包括:
設sa~sf為六相逆變器每相橋臂對應的開關狀態(tài),其值為1代表上橋臂導通,下橋臂關斷,其值為0代表下橋臂導通,上橋臂關斷;則
usa~usf為雙三相繞組逆變橋電壓,udc為六相逆變器直流母線電壓,uno為電機繞組中性點與地之間的電壓,
雙三相繞組滿足:
usa+usb+usc+usd+use+usf=0(10)
得到:
利用正交變換矩陣t6左乘式(9),再由式(11)計算得到基波定子電壓usα1和usβ1、五次諧波定子電壓usα5和usβ5、三次諧波定子電壓usα3和usβ3,
根據(jù)式(12),取不同的開關組合sa~sf即獲得α1β1平面、α5β5平面、α3β3平面的開關矢量;將α1β1平面和α5β5平面的相鄰電壓矢量為邊界,分別劃分為24個扇區(qū),分別用θsi、θxi表示,i=1,2,…,24,每個扇區(qū)包含的角度都為15°;
根據(jù)基波平面定子磁鏈ψsα1ψsβ1,計算出矢量ψs1的輻角∠θψs1,判斷矢量所處α1β1平面扇區(qū)編號θsi;根據(jù)五次諧波平面定子磁鏈ψsα5ψsβ5,計算出矢量ψs5的輻角∠θψs2,判斷矢量所處α5β5平面扇區(qū)編號θxi。
進一步地,所述步驟s5中第一和第二磁鏈滯環(huán)比較器輸出變量如下:
進一步地,所述步驟s6中基波平面電磁轉(zhuǎn)矩te1和五次諧波平面電磁轉(zhuǎn)矩te5的計算方法如下:
te1=p(ψsα1iβ1-ψsβ1iα1)(15)
te5=p(ψsα5iβ5-ψsβ5iα5)(16)
其中,p為雙三相永磁同步電機磁極對數(shù)。
進一步地,所述步驟s7中第一和第二轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出變量如下:
其中,ε1為電機基波轉(zhuǎn)矩滯環(huán)環(huán)寬,ε2為電機五次諧波轉(zhuǎn)矩滯環(huán)環(huán)寬,ε1和ε2的值根據(jù)實際電機轉(zhuǎn)矩控制誤差需要設置。
進一步地,所述步驟s8中,電磁轉(zhuǎn)矩給定值
進一步地,所述步驟s8中最優(yōu)開關矢量表的構建方法如下:
步驟s81:根據(jù)六相逆變器每相橋臂的不同開關組合獲得α1β1平面、α5β5平面、α3β3平面的開關矢量,α3β3平面的電壓矢量處于一條直線,根據(jù)諧波電流在α3軸投影的大小來選取α3β3平面的電壓矢量,選取極性相反的電壓矢量;
步驟s82:根據(jù)步驟s81選取電壓矢量后,在α1β1平面中找出對應的電壓矢量,根據(jù)基波磁鏈所在扇區(qū),分析α1β1平面中對應電壓矢量中各種開關組合作用引起定子磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩的控制效果,即增大或者減小,并根據(jù)作用效果將電壓矢量分為四組;
步驟s83:假設五次諧波平面定子磁鏈在第一扇區(qū)依次取步驟s82中所得的一組電壓矢量,再分析每個電壓矢量對五次諧波平面定子磁鏈及五次諧波平面電磁轉(zhuǎn)矩的作用效果,即增大或者減小,并根據(jù)作用效果在每組電壓矢量中選取四個最優(yōu)的開關矢量表;
步驟s84:假設五次諧波平面定子磁鏈在第二、第三、第四······第二十四扇區(qū),重復步驟s83選取;
步驟s85:假設基波平面定子磁鏈在第二、第三、第四······第二十四扇區(qū),重復步驟s83選??;
步驟s86:根據(jù)以上選取的開關矢量,列出最優(yōu)開關矢量表。
與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
(1)利用六相逆變器在基波和五次諧波平面中構建雙電磁轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈的直接控制,從而借助五次諧波平面轉(zhuǎn)矩增強電機負載能力,減小了定子繞組電流峰值;
(2)兩套三相繞組中心點連接在一起,利用剩余健康相繞組流過電流增強電機繞組故障時的負載能力;
(3)由于電機具有凸極現(xiàn)象,可以產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩,從而進一步增強電機負載能力。
附圖說明
圖1是本發(fā)明雙三相永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制結構圖;
圖2是本發(fā)明實施例驅(qū)動系統(tǒng)硬件結構;
圖3是本發(fā)明實施例雙三相永磁同步電機繞組連接方式;
圖4是本發(fā)明實施例α1β1平面的開關矢量圖;
圖5是本發(fā)明實施例α5β5平面的開關矢量圖;
圖6是本發(fā)明實施例α3β3平面的開關矢量圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
如圖1所示,一種雙三相永磁同步電機高負載能力的直接轉(zhuǎn)矩控制方法,包括如下步驟:步驟s1:設電機有兩個三相繞組,分別為ace繞組和bdf繞組,各個三相繞組中的三相互差120度電角度,兩套三相繞組偏移30度電角度,兩套三相繞組各有一個中心點o點和o’點,將兩臺繞組的中心點o-o’連接,利用正交變換矩陣t6將電機的六相輸入電流isa~isf變換至α1β1-α5β5-α3β3靜止坐標系中,得到基波電流iα1和iβ1、五次諧波電流iα5和iβ5、三次諧波電流iα3和iβ3,α1β1、α5β5和α3β3分別為基波、五次諧波和三次諧波靜止坐標系;
兩套三相繞組中心點連接在一起,共有五個自由度可以控制,在基波和五次諧波平面對電磁轉(zhuǎn)矩,定子磁鏈雙閉環(huán)控制,占據(jù)了四個自由度,而α3β3平面無法產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢,不參與機電能量轉(zhuǎn)換,所以將三次平面電流控制為零。
步驟s2:根據(jù)步驟s1求解三次諧波電流iα3,與給定零電流進行比較,送入比較器后輸出變量i。
步驟s3:計算基波平面定子磁鏈ψsα1ψsβ1和五次諧波平面定子磁鏈ψsα5ψsβ5;
在本實施例中,利用iα1iβ1、iα5iβ5雙三相電機轉(zhuǎn)子磁鏈ψf1、ψf5及電機轉(zhuǎn)子位置角θr計算定子磁鏈ψsα1ψsβ1、ψsα5ψsβ5:
其中,lsm1=0.5(ldm1+lqm1),lrs1=0.5(ldm1-lqm1),
基波平面定子磁鏈ψsα1ψsβ1和五次諧波平面定子磁鏈ψsα5ψsβ5的另外一種計算方法是利用定子磁鏈的電壓模型進行計算,方法如下:
利用正交變換矩陣將電機的六相輸入電壓usa~usf變換至α1β1-α5β5-α3β3靜止坐標系中,
根據(jù)α1β1、α5β5坐標系中電壓平衡方程式,
得到
其中,usα1和usβ1為基波定子電壓,usα5和usβ5為五次諧波定子電壓,rs為電機相繞組電阻。
步驟s4:設sa~sf為六相逆變器每相橋臂對應的開關狀態(tài),其值為1代表上橋臂導通,下橋臂關斷,其值為0代表下橋臂導通,上橋臂關斷;則
usa~usf為雙三相繞組逆變橋電壓,udc為六相逆變器直流母線電壓,uno為電機繞組中性點與地之間的電壓,
雙三相繞組滿足:
usa+usb+usc+usd+use+usf=0(10)
得到:
利用正交變換矩陣t6左乘式(9),再由式(11)計算得到基波定子電壓usα1和usβ1、五次諧波定子電壓usα5和usβ5、三次諧波定子電壓usα3和usβ3,
根據(jù)式(12),取不同的開關組合sa~sf即獲得α1β1平面、α5β5平面、α3β3平面的開關矢量;將α1β1平面和α5β5平面的相鄰電壓矢量為邊界,分別劃分為24個扇區(qū),分別用θsi、θxi表示,i=1,2,…,24,每個扇區(qū)包含的角度都為15°;
根據(jù)基波平面定子磁鏈ψsα1ψsβ1,計算出矢量ψs1的輻角∠θψs1,判斷矢量所處α1β1平面扇區(qū)編號θsi;根據(jù)五次諧波平面定子磁鏈ψsα5ψsβ5,計算出矢量ψs5的輻角∠θψs2,判斷矢量所處α5β5平面扇區(qū)編號θxi。
步驟s5:根據(jù)基波平面定子磁鏈ψsα1ψsβ1及定子磁鏈幅值給定值
根據(jù)五次諧波平面定子磁鏈ψsα5ψsβ5及定子磁鏈幅值給定值
步驟s6:計算基波平面電磁轉(zhuǎn)矩te1和五次諧波平面電磁轉(zhuǎn)矩te5;
te1=p(ψsα1iβ1-ψsβ1iα1)(15)
te5=p(ψsα5iβ5-ψsβ5iα5)(16)其中,p為雙三相永磁同步電機磁極對數(shù),可以從電機銘牌上得到。
步驟s7:將基波平面電磁轉(zhuǎn)矩te1及其給定值
將五次諧波平面電磁轉(zhuǎn)矩te5及其給定值
其中,ε1為電機基波轉(zhuǎn)矩滯環(huán)環(huán)寬,ε2為電機五次諧波轉(zhuǎn)矩滯環(huán)環(huán)寬,ε1和ε2的值根據(jù)實際電機轉(zhuǎn)矩控制誤差需要設置。
電磁轉(zhuǎn)矩給定值
步驟s8:構建最優(yōu)開關矢量表,將變量i、τ1、τ2、
如圖2所示,本發(fā)明實施例驅(qū)動系統(tǒng)硬件結構包括:整流電路、濾波電容、六相逆變器、雙三相不對稱繞組永磁同步電機、六相繞組電流采集電路、電機轉(zhuǎn)子位置角采集電路、隔離驅(qū)動、中央控制器、人機接口等,也可以采用合適的直流電源提供六相逆變器直流母線電壓。逆變器中功率管采用igbt或mofet,中央控制器采用dsp或單片機。繞組電流采集電路采用霍爾電流傳感器與運算放大器相結合方式構成,也可以采用繞組串功率電阻后接差分運算放大器相結合方式構成。采用霍爾方案可以有效實現(xiàn)控制回路與主回路的電氣隔離,采用繞組串功率電阻方案可以降低驅(qū)動系統(tǒng)成本。轉(zhuǎn)子位置角采集電路可以采用旋轉(zhuǎn)編碼器后接電平轉(zhuǎn)換電路構成,也可以采用旋轉(zhuǎn)變壓器后接解碼電路構成,其中前者成本較低,但位置角采樣精度受編碼器線數(shù)限制,而后者成本較高,但位置角采樣精度較高。繞組電流采集電路和轉(zhuǎn)子位置角采集電路弱電壓信號送到中央控制器a/d轉(zhuǎn)換模塊。根據(jù)取得的信號和本發(fā)明的高負載能力的直接轉(zhuǎn)矩控制策略計算出應發(fā)出的控制信號,經(jīng)由隔離驅(qū)動去控制逆變器中的功率開關管的開關動作。
本發(fā)明實施例雙三相永磁同步電機繞組連接方式如圖3所示,abcdef為雙三相永磁同步電機的六個相繞組,該電機有兩套三相繞組,即為圖3中的ace繞組和bdf繞組;各個三相繞組中的三相互差120度電角度,兩套三相繞組偏移30度電角度,兩套三相繞組各有一個中心點o點和o’點,將兩臺繞組的中心點o-o’連接。
根據(jù)式(12),取不同的開關組合sa~sf即獲得α1β1平面、α5β5平面、α3β3平面的開關矢量圖如圖4、圖5、圖6所示。
在本實施例中,需要在α1β1平面、α5β5平面選取矢量來同時控制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈。在電壓矢量空間選取最優(yōu)開關矢量表,實現(xiàn)基波轉(zhuǎn)矩、磁鏈和五次諧波轉(zhuǎn)矩、磁鏈的同時控制。由于三次諧波平面不參與機電能量轉(zhuǎn),且α3β3平面的電壓矢量處于一條直線,需要把三次諧波電流抑制為零,實現(xiàn)三次諧波電流控制為零,同時控制三維空間的控制方法來實現(xiàn)基波轉(zhuǎn)矩、磁鏈和五次諧波轉(zhuǎn)矩、磁鏈的控制及三次諧波電流抑制為零的控制方法。α3β3平面的電壓矢量處于一條直線,可以根據(jù)諧波電流在α3軸投影的大小來選取α3β3平面的電壓矢量。再選取α1β1平面(或α5β5平面)的矢量來控制基波轉(zhuǎn)矩、磁鏈。在α1β1平面(或α5β5平面)控制基波轉(zhuǎn)矩、磁鏈的矢量基礎上,再在α5β5平面(或α1β1平面)選取矢量來同時控制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈。
本實施例的最優(yōu)開關矢量表方法如下:
(1)將圖4中α1β1平面、圖5中α5β5平面的電壓矢量分別劃分為24個扇區(qū),分別用θsi、θxi表示,i=1、2、3…24,每個扇區(qū)包含的角度都為15°;
(2)圖6中α3β3平面的電壓矢量處于一條直線,可以根據(jù)諧波電流在α3軸投影的大小來選取α3β3平面的電壓矢量。iα3大于等于零時,選取極性相反的電壓矢量,如圖6虛線圈起的矢量。反之,選實線圈起的矢量;
(3)假定iα3大于等于零(iα3小于零),選取了圖6虛線圈起的矢量(選實線圈起的矢量),并在α1β1平面中找出對應的電壓矢量如圖4所示,再假定基波磁鏈在第一扇區(qū)θs1,分析圖4中各種開關組合作用引起定子磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩的控制效果,即增大或者減小,并根據(jù)作用效果將電壓矢量分為四組;
(4)假定五次磁鏈在第一扇區(qū)θs1依次取(3)中所得的一組電壓矢量,即轉(zhuǎn)矩增大與磁鏈增加的一組電壓矢量如圖5所示,再分析每個電壓矢量對五次磁鏈及五次轉(zhuǎn)矩的作用效果,即增大或者減小,并根據(jù)作用效果在每組電壓矢量中選取四個最優(yōu)的開關矢量表;
(5)重新假定五次磁鏈在第二、第三、第四······第二十四扇區(qū),重復步驟(4)選??;
(6)重新假定基波磁鏈在第二、、第三、第四······第二十四扇區(qū),重復步驟(3)選?。?/p>
(7)根據(jù)以上選取的開關矢量,列出最優(yōu)開關矢量表如表1所示。
表1
表1為基波平面磁鏈與五次諧波平面磁鏈分別處于第一扇區(qū)的矢量表,τ1=1代表基波轉(zhuǎn)矩增大,τ1=-1代表基波轉(zhuǎn)矩減小;τ2=1代表五次諧波轉(zhuǎn)矩增大,τ2=-1代表五次諧波轉(zhuǎn)矩減小。ф1=1代表基波平面的磁鏈增大,ф1=0代表基波平面的磁鏈減?。户?=1代表五次諧波平面磁鏈增大,ф2=0代表五次諧波平面磁鏈減小。
本發(fā)明雖然已以較佳實施例公開如上,但其并不是用來限定本發(fā)明,任何本領域技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi),都可以利用上述揭示的方法和技術內(nèi)容對本發(fā)明技術方案做出可能的變動和修改,因此,凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容,依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾,均屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例,凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾,皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。