空间矢量调制的感应电动机变结构转矩直接控制方法

摘要

空间矢量调制的感应电动机变结构转矩直接控制方法属于交流传动技术领域，其特征在于，它是一种根据定子磁链幅值和转矩各自误差的大小通过变结构磁链和转矩控制器去计算出控制这些误差收敛的定子电压矢量，再以空间矢量调制方式生成电压逆变器的开关控制信号以控制感应电动机转矩的方法。它与转子磁场定向控制相比运算量小，实现简单，且对感应电动机的参数变化具有鲁棒性；它与当前使用的直接转矩控制相比，既实现了电压逆变器开关周期的恒定，又克服了直接转矩控制中存在的磁链和转矩控制的抖动问题。

主权项

1.空间电压矢量调制的感应电动机变结构转矩直接控制方法，含有控制较易观测的定子磁链并通过直接反馈控制转矩的步骤，其特征在于，它是一种根据定子磁链幅值和转矩各自误差的大小采用变结构磁链和转矩控制器计算出控制这些误差收敛的定子电压矢量，再以空间矢量调制，即SVM，发生器的方式发出电压逆变器的开关信号，以控制感应电动机转矩的方法，具体而言，它依次含有以下步骤：第1步.设定定子磁链幅值参考值ψ_sREF和转矩参考值T_eREF，输入计算机；第2步.再把由控制系统调整及控制器参数整定程序得出的以下参数送入计算机：变结构磁链控制器参数：ε_ψ＞ε_Δψ， ${ϵ}_{\mathrm{\Delta \psi }}=R_s{M}^2{\psi }_{\mathrm{sREF}}/\sigma L_s^2{L}_r,$K_ψ＞0；其中，σ＝1-(M²/L_sL_r)，L_s：定子自感；L_r：转子自感，M：互感；R_s：定子电阻；定子磁链误差的收敛时间： $t_{\psi }\le |{\psi }_{\mathrm{sREF}}\left(t_0^{\psi }\right)-{\psi }_s\left(t_0^{\psi }\right)|/({ϵ}_{\psi }-{ϵ}_{\mathrm{\Delta \psi }});$其中，ψ_s为定子磁链幅值，t₀^ψ为定子磁链幅值ψ_s控制的初始时刻；变结构转矩控制器参数： ${ϵ}_{\mathrm{Te}}>\left|{\psi }_{\mathrm{sREF}}{\stackrel{··}{\theta }}_s\right|,$为定子磁链矢量旋转的角加速度，K_Te＞0；第3步.磁链和转矩观测器计算定子磁链幅值和转矩的观测值第3.1步.计算机通过电压电流测量电路从交流供电的逆变电路中测得相电流i_A，i_B，i_C及母线电压V_dc，逆变器在观测周期内的开关状态SA(t)，SB(t)，SC(t)；第3.2步.由下式计算定子电流，定子电压在静止坐标系(α，β)上的分量i_sα，i_sβ， $i_{\mathrm{s\alpha }}=i_A-\frac{1}{2}(i_B+i_C),$ $i_{\mathrm{s\beta }}=\frac{\sqrt{3}}{2}(i_B-i_C),$ ${\tilde{u}}_{\mathrm{s\alpha }}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{3}(2\mathrm{SA}-\mathrm{SB}-\mathrm{SC}),$ ${\tilde{u}}_{\mathrm{s\beta }}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}}(\mathrm{SB}-\mathrm{SC});$第3.3步.由下式计算定子磁链在两相静止坐标系上的分量第3.4步.由下式计算定子磁链的幅值和转角的观测值第3.5步.由下式计算电磁转矩的观测值第4步.变结构磁链和转矩控制器分别根据定子磁链幅值误差e_ψ和转矩误差e_Te计算定子电压u_s在定子磁链动态坐标系上的分量u_sd、u_sq：首先判别是否t＞t_ψ若：定子磁链幅值在t时刻已经进入稳态，t≥t_ψ，则： $e_{\psi }={\psi }_{\mathrm{sREF}}-{\hat{\psi }}_s,$ $e_{\mathrm{Te}}=T_{\mathrm{eREF}}-{\hat{T}}_e,$于是： $u_{\mathrm{sd}}=\frac{R_s}{{\mathrm{\sigma L}}_s}{\psi }_s+K_{\psi }{e}_{\psi }+{ϵ}_{\psi }{\mathrm{sgne}}_{\psi },$ $u_{\mathrm{sq}}=\frac{R_s}{{\psi }_{\mathrm{sREF}}}{T}_{\mathrm{eREF}}+{\int }_{t_0^T}^t(K_{\mathrm{Te}}{e}_{\mathrm{Te}}+{ϵ}_{\mathrm{Te}}\mathrm{sgn}{e}_{\mathrm{Te}})\mathrm{d\tau };$其中t₀^T为感应电动机转矩控制的初始时刻；若：定子磁链幅值在t时刻未进入稳态，t＜t_ψ，则： $e_{\psi }={\psi }_{\mathrm{sREF}}-{\hat{\psi }}_s,$ $e_{\mathrm{Te}}=0-{\hat{T}}_e,$于是： $u_{\mathrm{sd}}=\frac{R_s}{{\mathrm{\sigma L}}_s}{\psi }_s+K_{\psi }{e}_{\psi }+{ϵ}_{\psi }\mathrm{sgn}{e}_{\psi },$ $u_{\mathrm{sq}}=\frac{R_s}{{\psi }_{\mathrm{sREF}}}{T}_{\mathrm{eREF}}+{\int }_{t_0^T}^t(K_{\mathrm{Te}}{e}_{\mathrm{Te}}+{ϵ}_{\mathrm{Te}}\mathrm{sgn}{e}_{\mathrm{Te}})\mathrm{d\tau };$第5步.电压矢量合成及空间矢量调制，即SVM，发生器根据u_sd，u_sq，计算逆变器所需要的三相开关控制信号SA，SB，SC：第5.1步.由下式计算u_sα，u_sβ： $u_s=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\alpha }}\\ u_{\mathrm{s\beta }}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\theta }_s& -\sin {\theta }_s\\ \sin {\theta }_s& \cos {\theta }_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}\\ u_{\mathrm{sq}}\end{array}\right]$第5.2步.由下式计算定子电压矢量的幅值U_s和转角θ_us $U_s=\sqrt{u_{\mathrm{s\alpha }}^2+u_{\mathrm{s\beta }}^2},$θ_us＝cos^-1(u_sa/U_s)；第5.3步.通过θ_us确定合成定子电压的两个相邻基本电压矢量： $0\le {\theta }_{\mathrm{us}}<\frac{\pi }{3},$定子电压矢量在V1，V2之间，N＝1，采用V1，V2 $\frac{\pi }{3}\le {\theta }_{\mathrm{us}}<\frac{2\pi }{3},$定子电压矢量在V2，V3之间，N＝2，采用V2，V3 $\frac{2\pi }{3}\le {\theta }_{\mathrm{us}}<\pi ,$定子电压矢量在V3，V4之间，N＝3，采用V3，V4 $\pi \le {\theta }_{\mathrm{us}}<\frac{4\pi }{3},$定子电压矢量在V4，V5之间，N＝4，采用V4，V5 $\frac{4\pi }{3}\le {\theta }_{\mathrm{us}}<\frac{5\pi }{3},$定子电压矢量在V5，V6之间，N＝5，采用V5，V6 $\frac{5\pi }{3}\le {\theta }_{\mathrm{us}}<2\pi ,$定子电压矢量在V6，V1之间，N＝6，采用V6，V1；第5.4步.当前时刻，定子电压矢量在区间N内，采用由下式计算定子电压矢量相邻的两个逆变器基本电压矢量V_N、V_N+1，如果N＝6取V_N+1＝V1和零矢量V0、V7的作用时间：在设定的SVM周期T_p内， $\gamma ={\theta }_{\mathrm{us}}-\frac{(N-1)\pi }{3}---0\le \gamma <\frac{\pi }{3}$V_N的作用时间T_N： $T_N=T_P\frac{{2U}_s}{\sqrt{3}{V}_{\mathrm{dc}}}\sin (\frac{\pi }{3}-\gamma ),$V_N+1的作用时间T_N+1： $T_{N+1}=T_P\frac{2U_s}{\sqrt{3}{V}_{\mathrm{dc}}}\sin \left(\gamma \right),$V0和V7的作用时间T₀、T₇： $T_0=T_7=\frac{T_P-T_1-T_2}{2};$第5.5步.根据基本电压矢量和零矢量以及各自的作用时间确定逆变器三相开关控制信号SA，SB，SC：逆变器产生的基本电压矢量和零矢量所对应的三相开关控制信号分别是V_i(SA SB SC)：V0(000)，V1(100)，V2(110)，V3(010)，V4(011)，V5(001)，V6(101)V7(111)；在一个SVM周期T_p内定子电压矢量相邻的基本电压矢量V_N、V_N+1和零矢量V0、V7的作用顺序如下：V0作用T₀/2→V_N作用T_N/2→V_N+1作用T_N+1/2→V7作用T₇→V_N+1作用T_N+1/2→V_N作用T_N/2→V0作用T₀/2；并根据基本电压矢量与逆变器三相开关控制信号SA，SB，SC之间的对应关系，得出逆变器的开关控制信号SA，SB，SC，从而驱动感应电动机，以控制感应电动机的转矩。