本發(fā)明屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

本發(fā)明主要應(yīng)用對象為電動汽車用永磁同步電機(jī)。電動汽車用永磁同步電機(jī)包括集中驅(qū)動式和輪轂驅(qū)動式兩種。集中驅(qū)動式永磁同步電機(jī)體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩密度大，輪轂驅(qū)動式場調(diào)制型永磁輪轂電機(jī)(本質(zhì)也是永磁同步電機(jī))基于磁場調(diào)制原理，具有輸出低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的特性，它們在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中都有很大的應(yīng)用前景。目前，電動汽車用永磁同步電機(jī)常采用的控制策略為矢量控制，矢量控制算法簡單、易于操作，但其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)相對較慢。為了提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，可采用直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制具有較快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但其采用滯環(huán)控制的方法帶來了逆變器開關(guān)頻率不固定、轉(zhuǎn)矩紋波較大等問題。無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制是一種改進(jìn)的控制策略，利用永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在離散狀態(tài)下根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的給定值直接計算出參考電壓矢量，在母線電壓滿足要求的情況下可以實現(xiàn)在一個控制周期內(nèi)消除轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差。但是由于采樣和計算時間的存在，當(dāng)前控制周期產(chǎn)生的控制信號必需等到下一控制周期才能給到逆變器，這嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為了解決無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制一周期延遲的問題，使無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制能在永磁同步電機(jī)中有效應(yīng)用，可以利用狀態(tài)觀測器在當(dāng)前控制周期預(yù)測出下一控制周期系統(tǒng)的狀態(tài)，并通過無差拍控制算法計算出下一控制周期應(yīng)產(chǎn)生的控制信號，在下一控制周期開始時給到逆變器，消除延遲。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中永磁同步電機(jī)采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制分別帶來的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較慢和轉(zhuǎn)矩紋波較大的問題，本發(fā)明提出了一種永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)及控制方法，基于離散狀態(tài)觀測器對定子電流進(jìn)行預(yù)測，實現(xiàn)永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制。

技術(shù)方案：為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明中永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，包括：編碼器、狀態(tài)觀測器、無差拍控制器、svpwm調(diào)制模塊、逆變器；對于某一控制周期k，

所述編碼器用于獲取電機(jī)旋轉(zhuǎn)電角速度ωr和電機(jī)轉(zhuǎn)速n；利用所述電機(jī)轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)速給定值nref的偏差通過pi調(diào)節(jié)器計算電磁轉(zhuǎn)矩給定值teref；

所述狀態(tài)觀測器用于根據(jù)當(dāng)前控制周期永磁同步電機(jī)的定子電流和定子電壓以及電機(jī)旋轉(zhuǎn)電角速度ωr計算下一控制周期定子磁鏈的預(yù)測值和電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測值te^*；

所述無差拍控制器以電磁轉(zhuǎn)矩給定值teref與電磁轉(zhuǎn)矩預(yù)測值te^*所求得的轉(zhuǎn)矩偏差δte以及定子磁鏈的預(yù)測值作為輸入?yún)?shù)計算參考電壓vd和vq；

所述svpwm調(diào)制模塊根據(jù)所述參考電壓vd和vq經(jīng)park逆變換所得到的兩相電壓生成逆變器的控制信號；

所述逆變器用于根據(jù)所述控制信號控制永磁同步電機(jī)的電壓。

其中，所述狀態(tài)觀測器包括電流預(yù)測模塊、磁鏈預(yù)測模塊和轉(zhuǎn)矩預(yù)測模塊。

所述電流預(yù)測模塊用于利用觀測器方程根據(jù)當(dāng)前控制周期永磁同步電機(jī)的定子電流和定子電壓以及電機(jī)旋轉(zhuǎn)電角速度ωr計算下一控制周期定子電流的初始預(yù)測值將上一控制周期對當(dāng)前控制周期定子電流的預(yù)測值與當(dāng)前控制周期定子電流的實際值之間的誤差輸入pi調(diào)節(jié)器，利用pi調(diào)節(jié)器根據(jù)該誤差值計算并輸出誤差補(bǔ)償值，將該誤差補(bǔ)償值與所述定子電流初始預(yù)測值相加進(jìn)而得到最終的定子電流預(yù)測值

所述磁鏈預(yù)測模塊用于利用磁鏈方程根據(jù)對下一控制周期定子電流的預(yù)測值計算下一控制周期定子磁鏈的預(yù)測值

所述轉(zhuǎn)矩預(yù)測模塊用于利用轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)對下一控制周期定子電流的預(yù)測值和定子磁鏈的預(yù)測值計算電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測值te^*。

相應(yīng)地，本發(fā)明還公開了一種永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制方法，應(yīng)用于上述控制系統(tǒng)，該方法包括以下步驟：

所述編碼器獲取電機(jī)旋轉(zhuǎn)電角速度ωr和電機(jī)轉(zhuǎn)速n；

所述電機(jī)轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)速給定值nref的偏差通過pi調(diào)節(jié)器計算電磁轉(zhuǎn)矩給定值teref；

所述狀態(tài)觀測器根據(jù)當(dāng)前控制周期永磁同步電機(jī)的定子電流和定子電壓以及電機(jī)旋轉(zhuǎn)電角速度ωr計算下一控制周期的定子磁鏈的預(yù)測值和電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測值te^*；

所述無差拍控制器以電磁轉(zhuǎn)矩給定值teref與電磁轉(zhuǎn)矩預(yù)測值te^*所求得的轉(zhuǎn)矩偏差δte以及定子磁鏈預(yù)測值作為輸入?yún)?shù)計算參考電壓vd和vq；

所述svpwm調(diào)制模塊根據(jù)所述參考電壓vd和vq經(jīng)park逆變換所得到的兩相電壓生成逆變器的控制信號；

所述逆變器根據(jù)所述控制信號控制永磁同步電機(jī)的電壓。

其中，所述狀態(tài)觀測器計算下一控制周期的定子磁鏈的預(yù)測值和電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測值te^*，包括以下步驟：

利用觀測器方程根據(jù)當(dāng)前控制周期永磁同步電機(jī)的定子電流和定子電壓以及電機(jī)旋轉(zhuǎn)電角速度ωr計算下一控制周期定子電流的初始預(yù)測值

將上一控制周期對當(dāng)前控制周期定子電流的預(yù)測值與當(dāng)前控制周期定子電流的實際值之間的誤差輸入pi調(diào)節(jié)器，利用pi調(diào)節(jié)器根據(jù)該誤差值計算并輸出誤差補(bǔ)償值，將該誤差補(bǔ)償值與所述定子電流初始預(yù)測值相加進(jìn)而得到最終的定子電流預(yù)測值

利用磁鏈方程根據(jù)對下一控制周期定子電流的預(yù)測值計算下一控制周期定子磁鏈的預(yù)測值

利用轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)下一控制周期定子電流的預(yù)測值和定子磁鏈的預(yù)測值計算電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測值te^*。

有益效果：本發(fā)明中永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)及控制方法，采用離散狀態(tài)觀測器，能夠利用當(dāng)前控制周期的定子電流、定子電壓以及轉(zhuǎn)速采樣值準(zhǔn)確地預(yù)測下一控制周期的定子電流，進(jìn)而計算出下一控制周期永磁同步電機(jī)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測值，利用無差拍控制器計算出下一控制周期的參考電壓矢量，并通過svpwm調(diào)制產(chǎn)生控制信號，并在下一控制周期開始時作用到逆變器，實現(xiàn)永磁同步電機(jī)的無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制。本發(fā)明解決了無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制存在一周期延遲的問題，使得無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制能夠運(yùn)用于永磁同步電機(jī)。整體控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動小、響應(yīng)快，大大改善了永磁同步電機(jī)的運(yùn)行性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理框圖；

圖2是本發(fā)明中利用觀測器方程求解電流初始預(yù)測值的原理框圖；

圖3是本發(fā)明中電流觀測器原理框圖；

圖4是本發(fā)明中用于永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制的狀態(tài)觀測器原理框圖；

圖5是電流觀測器matlab/simulink仿真波形；

圖6是電流觀測器實驗波形；

圖7是永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)實驗波形。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

圖1中的永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要包括：編碼器、狀態(tài)觀測器、無差拍控制器、svpwm調(diào)制模塊、逆變器，在一個控制周期內(nèi)，利用電流傳感器測得永磁同步電機(jī)a、b相電流ia(k)、ib(k)，經(jīng)clarke和park變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流同樣的，將定子相電壓做相同的處理得到將以及經(jīng)編碼器采樣計算得到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)電角速度ωr輸入狀態(tài)觀測器計算下一控制周期定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測值和te^*。利用編碼器測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)速給定值nref的偏差通過pi調(diào)節(jié)器計算出電磁轉(zhuǎn)矩給定值teref，進(jìn)而與電磁轉(zhuǎn)矩預(yù)測值te^*求得轉(zhuǎn)矩偏差δte。將轉(zhuǎn)矩偏差δte以及定子磁鏈的預(yù)測值作為無差拍控制器的輸入?yún)?shù)，利用無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制器計算參考電壓vd和vq，并利用svpwm調(diào)制策略得到逆變器的控制信號，控制逆變器運(yùn)行，控制電機(jī)相電壓。

在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中，假設(shè)(其中f可表示電壓v、電流i、磁鏈λ等，j為虛數(shù)單位)，則永磁同步電機(jī)定子電壓、定子電流以及定子磁鏈的關(guān)系可表示為：

電壓方程：

磁鏈方程：

其中，為定子電壓，為定子電流，為直軸電流，為交軸電流，為定子磁鏈，rs為定子電阻，l為直軸電感l(wèi)d或交軸電感l(wèi)q，ωr為電機(jī)旋轉(zhuǎn)電角速度，λpm為永磁磁鏈。離散狀態(tài)下，用向前差商近似代替導(dǎo)數(shù)將(1)和(2)離散化：

由于定子繞組電感的存在，在永磁同步電機(jī)運(yùn)行過程中，定子電流不能突變，而定子電壓可以突變。因此離散狀態(tài)下，可近似認(rèn)為在一個控制周期內(nèi)，定子電壓是保持不變的，而定子電流線性變化，磁鏈與電流呈線性關(guān)系，定子磁鏈也線性變化。在一個控制周期內(nèi)對(3)進(jìn)行數(shù)值積分，其中電壓采用向前歐拉法，電流采用梯形法，得到

式中ts為控制周期時長，在(4)和(5)中，當(dāng)前控制周期(k)的定子電壓定子電流以及電角速度采樣值ωr均為已知量，聯(lián)立方程組可解出計算下一控制周期(k+1)定子電流的初始預(yù)測值的觀測器方程，見式(6)和(7)，式中，為直軸電流的初始預(yù)測值，為交軸電流的初始預(yù)測值，為直軸電流，為交軸電流，為直軸電壓，為交軸電壓，其原理框圖如圖2所示。

為了消除預(yù)測誤差，在觀測器中引入比例積分調(diào)節(jié)器(pi調(diào)節(jié)器)構(gòu)造電流觀測器，如圖3所示，將上一控制周期(k-1)的定子電流預(yù)測值利用離散狀態(tài)下的延時函數(shù)(1/z模塊)延時一個控制周期，將該預(yù)測值與當(dāng)前控制周期(k)的定子電流實際采樣值之間的誤差輸入pi調(diào)節(jié)器，利用pi調(diào)節(jié)器根據(jù)該誤差值計算并輸出誤差補(bǔ)償值，將該誤差補(bǔ)償值與觀測器方程計算出的定子電流初始預(yù)測值相加得到最終的定子電流預(yù)測值

圖4給出了用于永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制的離散狀態(tài)觀測器的原理框圖，在上述基礎(chǔ)上，根據(jù)磁鏈方程(2)，利用定子電流預(yù)測值可以預(yù)測下一控制周期的定子磁鏈根據(jù)轉(zhuǎn)矩方程(其中p為永磁同步電機(jī)的極對數(shù))

可以進(jìn)一步預(yù)測下一控制周期的電磁轉(zhuǎn)矩te^*。

上述無差拍控制器數(shù)學(xué)模型由永磁同步電機(jī)模型逆向推導(dǎo)而來，具體表達(dá)式為：

式中，

δte為預(yù)測電磁轉(zhuǎn)矩與給定電磁轉(zhuǎn)矩的差值，為定子直軸磁鏈，為定子交軸磁鏈，λref為定子磁鏈給定值。

圖5給出了電流觀測器預(yù)測結(jié)果的matlab/simulink仿真波形，仿真中控制周期為2khz，從圖中可以看出當(dāng)前控制周期對下一控制周期定子電流的預(yù)測值與下一控制周期的定子電流的采樣值基本相等。圖6給出了電流觀測器預(yù)測結(jié)果的實驗波形，實驗中控制周期為5khz，從圖中可以看出當(dāng)前控制周期對下一控制周期定子電流的預(yù)測值與下一控制周期的定子電流采樣值基本相同。圖7給出了永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)實驗波形，可見轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形較平穩(wěn)，電流波形thd達(dá)到了3.40％。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出以上實施列對本發(fā)明不構(gòu)成限定，相關(guān)工作人員在不偏離本發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，所進(jìn)行的多樣變化和修改，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。