基于新型脈寬調(diào)制的五相永磁容錯電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及五相永磁電機(jī)控制技術(shù)，具體是一種用于五相永磁容錯電機(jī)的零序電 壓諧波注入式脈寬調(diào)制的（無位置傳感器）直接轉(zhuǎn)矩控制（ZVI-CPWM DTC)方法，適用于永 磁無刷電機(jī)高性能伺服控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC)是繼矢量控制之后發(fā)展起來的新一代高性能控制策略，具有 動態(tài)響應(yīng)好、結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)以及無需轉(zhuǎn)子信息和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣 泛的關(guān)注，并取得了一定的成果。
[0003] 傳統(tǒng)DTC中，采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈的滯環(huán)控制器，通過預(yù)先制定的離線開關(guān)表進(jìn)行控 制，但是存在轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動較大、逆變器開關(guān)頻率不恒定等問題，尤其在用于驅(qū)動五相永 磁電機(jī)時，相電流含有較高的三次諧波，電流畸變率過大。針對上述傳統(tǒng)DTC存在的弊端， 國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做過大量研究并采取了一些措施。
[0004] Martins和 Roboam等人于 2002年在論文《Switching frequency imposition and ripple reduction in DTC drives by using a multilevel converter〉〉中引入多電平 逆變器來增加可選電壓空間矢量的數(shù)目，以期獲得轉(zhuǎn)矩和磁鏈的精確控制，從而達(dá)到減小 轉(zhuǎn)矩脈動的目的，但此方法導(dǎo)致開關(guān)器件數(shù)量增加，使得系統(tǒng)硬件成本上升，且增加了系統(tǒng) 復(fù)雜性。Mathapati 和 Bocker 于 2013 年在論文《Analytical and offline approach to select optimal hysteresis bands of DTC for PMSM》中通過離線分析三相電機(jī)相電流最 小的諧波畸變，以此制定最優(yōu)的滯環(huán)環(huán)寬以達(dá)到逆變器開關(guān)頻率恒定的效果，但該方法只 是近似達(dá)到開關(guān)頻率恒定的效果，并不是真正意義上基于開關(guān)頻率恒定的DTC，此外，五相 永磁電機(jī)的空間諧波含量很高，因而該方法在此并不適用。
[0005] 以上方法都屬于離線控制策略，無法根據(jù)實(shí)際情況的變化發(fā)出最合適的控制信 號，于飛和張曉峰等人于2008年在論文《The direct torque control of multiphase permanent magnet synchronous motor based on low harmonic space vector PffM)) ψ 提出一種利用空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)（SVPffM)的直接轉(zhuǎn)矩控制（SVM-DTC)策略，用來獲得 更多連續(xù)變化的電壓空間矢量，實(shí)現(xiàn)對磁鏈、轉(zhuǎn)矩更準(zhǔn)確的控制。雖然SVM-DTC可保證逆 變器開關(guān)頻率的恒定，也降低了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動以及相電流的三次諧波含量，但是目前 SVM-DTC的實(shí)現(xiàn)，都采用矢量控制中SVPffM技術(shù)進(jìn)行發(fā)波，也導(dǎo)致一些弊端的存在。一方 面，由于每一次發(fā)波都要進(jìn)行扇區(qū)的判斷和矢量作用時間的計算，因此在數(shù)字控制器中實(shí) 現(xiàn)起來比較繁瑣且耗費(fèi)控制器資源，這與DTC運(yùn)算方便和簡潔的初衷是相悖的；另一方面， 由于要進(jìn)行電壓矢量夾角的三角函數(shù)計算和無理數(shù)的運(yùn)算，會因?yàn)槿呛瘮?shù)的運(yùn)算而帶來 計算誤差。
[0006] 劉國海和謝瑩等人于2015年在論文《基于載波的五相永磁容錯電機(jī)SVPffM算 法》中針對五相永磁電機(jī)提出了一種等效的SVPffM算法一一零序電壓諧波注入式脈寬調(diào)制 (ZVI-CPffM)策略，為設(shè)計多相電機(jī)的等效空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)提供了參考。
[0007] 同時，無位置傳感器控制技術(shù)也是電機(jī)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，針對永磁同步電機(jī) 的無位置傳感器控制方法通常有：模型參考自適應(yīng)、滑模觀測器、高頻注入法、基于電機(jī)反 電勢的估算法、擴(kuò)展卡爾曼濾波器等方法。以上方法都需要額外的控制算法進(jìn)行轉(zhuǎn)速或者 轉(zhuǎn)子位置角的估測，使得數(shù)字控制器中無位置傳感器的實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜。而直接轉(zhuǎn)矩控制系 統(tǒng)，本身就是一種天然的無位置傳感器算法，將其運(yùn)用在異步電機(jī)中可直接實(shí)現(xiàn)無位置傳 感器的運(yùn)行，但是在永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，啟動前必須知道電機(jī)的初始位置，單純利用 直接轉(zhuǎn)矩控制還無法實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的無位置運(yùn)行，所以急需一種簡易的適合于永磁同 步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)下的無位置傳感器運(yùn)行策略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種適用于五相永磁容錯電機(jī)（FT-PMM)且更加簡易的等效 空間矢量調(diào)制的（無位置傳感器）直接轉(zhuǎn)矩控制策略，用以解決五相永磁容錯電機(jī)系統(tǒng)中 采用傳統(tǒng)DTC存在的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動較大、相電流三次諧波含量較高，采用SVPffM技術(shù)的 SVM-DTC推導(dǎo)及實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，以及目前無位置傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的問題。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案是在普通空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過引 入零序電壓諧波注入式脈寬調(diào)制策略，取代傳統(tǒng)SVM-DTC中的SVPffM發(fā)波技術(shù)，同時選擇合 適的磁鏈估算方法，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出一種簡易的適合于永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控 制系統(tǒng)的無位置傳感器運(yùn)行策略。本發(fā)明可在無位置傳感器運(yùn)行方式中，保持良好動態(tài)響 應(yīng)性能不變的條件下，有效減小直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動、大幅降低相 電流的三次諧波含量、無需進(jìn)行扇區(qū)的判斷以及矢量作用時間的計算、避免因?yàn)橛嬎闳?函數(shù)而帶來的計算誤差。
[0010] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案有以下步驟：
[0011] 第一步，五相定子電流ia、ib、i。、:^及i ^由電流霍爾傳感器采集后，經(jīng)Clark坐標(biāo) 變換后得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量i α和i e;由電壓采樣單元得到的母線電壓U d。 和逆變器的開關(guān)狀態(tài)Sa、Sb、S。、Sd、S f3，分別計算得到五相定子相電壓uA、uB、ue、u D、uE并經(jīng) Clark變換后得到兩相靜止坐標(biāo)系下的11。和u p。
[0012] 第二步，利用光電編碼盤獲得五相永磁容錯電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角Θ y并由此計算出 電機(jī)的實(shí)時轉(zhuǎn)速，與給定轉(zhuǎn)速ω/做差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到給定轉(zhuǎn)矩T /(或者去掉轉(zhuǎn)速 PI環(huán)節(jié)，通過通入（1，〇,〇,〇,〇)的電壓矢量，且各相占空比設(shè)為0.65來實(shí)現(xiàn)永磁容錯電機(jī) 的可靠初始定位，然后直接給定轉(zhuǎn)矩指令I(lǐng)?)。
[0013] 第三步，通過第一步得到的ia和i e以及u α和u e，利用改進(jìn)的"電壓法"（帶幅值 限制的改進(jìn)型積分器）估測磁鏈，具體表達(dá)式如式4所示。
[0015] 式中，#?和~表示經(jīng)帶幅值限制的改進(jìn)型積分器觀測出的第k次的定子磁鏈分 量；札表示定子電阻；z a和z e為經(jīng)過幅值限制環(huán)節(jié)后的磁鏈分量幅值。
[0016] 在兩相靜止坐標(biāo)系下，根據(jù)公式K = 5Z2，計算出本次實(shí)時估測的電 磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩?；。
[0017] 第四步，將PI調(diào)節(jié)后得到的給定轉(zhuǎn)矩ΤΛ與估測轉(zhuǎn)矩?；做差得到Δ Ty由轉(zhuǎn)矩和 轉(zhuǎn)矩角的關(guān)系可知，Α?；經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩角的變化量△ δ。磁鏈觀測器得到的磁鏈 觀測值L和定子磁鏈角度Θ s以及A δ，由參考磁鏈誤差計算（RFEC)模塊，具體表達(dá)式 如式9所示，
[0019] 式中Φ/是給定磁鏈，Φ s是估測的定子磁鏈，△ δ是給定磁鏈與本次估測的定子 磁鏈之間的變化角度。
[0020] 以及空間電壓估算模塊計算出空間電壓矢量在α軸和β軸的分