基于占空比分配的双三相永磁同步电机直接转矩控制方法

1.本发明涉及多相永磁同步电机控制领域的一种永磁同步电机控制方法，提 出一种适用于双三相永磁同步电机高性能运行控制的基于占空比分配策略的直 接转矩控制方法。


背景技术：

2.随着电力电子技术飞速发展，先进控制理论和高性能微处理器的相继问世， 为实现更加复杂电机控制策略提供了有利条件。各国学者也对低电压高功率、 高可靠性的系统进行更加深入研究。伴随着永磁体材料制造成本大幅降低，具 有众多优点的多相永磁同步电机在日常生活和工业制造中得到广泛应用。对于 功率需求较大、可靠性要求较高的航空航天、电动汽车、船舰驱动等重要行业 而言，普通三相驱动系统已满足不了其需求，需要使用优势更为明显的多相电 机驱动系统。与普通三相电机相比，双三相永磁同步电机具有转矩波动小、容 错能力强、可实现低压大功率等诸多优点。
3.直接转矩控制发展历程较长且技术比较成熟。相比其他控制策略而言，直 接转矩控制可以减少复杂的坐标变换，并有较快的动态转矩响应能力。对于驱 动双三相永磁同步电机运行的六相逆变器，会产生众多幅值不同、方向不同的 电压矢量，极大增加了双三相永磁同步电机直接转矩控制方法的设计难度。
4.然而，双三相永磁同步电机的直接转矩控制方法依然存在较多问题：其数 学模型在生成三个相互垂直的子平面时，在谐波子平面的漏感会使电机在运行 期间产生较大的5、7次电流谐波；其次对电磁转矩、定子磁链控制效果不精 确，存在较大转矩和磁链波动等问题；同时由不同占空比数值合成的虚拟矢量 会生成不对称开关序列，极大增加了硬件实现难度，降低了谐波抑制的有效性。


技术实现要素：

5.为了解决双三相永磁同步电机电流谐波含量大、转矩磁链波动大和硬件实 现难度大等技术问题，本发明提出了一种适用于双三相永磁同步电机的基于占 空比分配的直接转矩控制方法。
6.本发明的技术方案包括如下步骤：
7.步骤一：针对双三相永磁同步电机采用空间矢量解耦的方法，将双三相永 磁同步电机的六相分别映射到α-β子平面、x-y子平面和o
1-o2子平面的三个平面， 产生两个非零矢量，合成获得两种虚拟矢量，且使虚拟矢量在x-y子平面的作 用效果为零；
8.所述步骤一，具体是将双三相永磁同步电机的六相分别映射到α-β子平面、 x-y子平面和o
1-o2子平面，且三个子平面在空间中两两垂直；其中α-β子平面上 电机的各分量为基波分量，参与机电能量转换；x-y子平面和o
1-o2子平面为谐 波子平面，不参与机电能量转换；双三相永磁同步电机两套绕组中性点相互隔 离，其o
1-o2子平面可忽略不计；其余α-β子平面和x-y子平面会产生幅值不同 的四种非零矢量，再从四种非零矢量中抽取两个非零矢
量，合成获得两种虚拟 矢量集，且使合成的虚拟矢量集在x-y子平面的作用效果为零。
9.步骤二：根据定子磁链位于不同扇区的情况处理获得所选出的虚拟矢量集 的评价参数，根据评价参数选择获得主虚拟矢量和从虚拟矢量；
10.步骤三：根据评价参数处理获得主从虚拟矢量的占空比dm和ds；
11.步骤四：对主从虚拟矢量的占空比dm和ds经过规范化处理获得主从虚拟 矢量的实际占空比d
′m和d
′s，通过将主虚拟矢量和从虚拟矢量以各自的实际占空 比d
′m和d
′s合成为一个电压矢量，将电压矢量在控制周期施加到双三相永磁同步 电机的六相线上，使主从虚拟矢量共同作用于双三相永磁同步电机的一个控制 周期内，实现直接转矩控制。
12.当主从虚拟矢量作用于整个控制周期时，主从虚拟矢量在不同扇区会形成 不同的开关序列，主从虚拟矢量在一个周期内开关次数较多且波形不对称，根 据输出电压的平均值与脉冲宽度和脉冲位置的关系，可以将主从虚拟矢量的开 关序列重新修正为对称波形，降低了硬件实现难度。
13.所述步骤一中，α-β子平面和x-y子平面会产生四种非零矢量，分别为12 个大非零矢量v
ln
、12个次大非零矢量v
mln
、24个中非零矢量v
mn
、12个小非 零矢量v
sn
，n表示序数。四种非零矢量的幅值大小如下公式处理获得：
[0014][0015]
式中，|v
ln
|、|v
mln
|、|v
mn
|和|v
sn
|分别表示大非零矢量幅值、次大非零矢量 幅值、中非零矢量幅值和小非零矢量幅值；u
dc
为直流母线电压。
[0016]
所述步骤一中，从四种非零矢量中抽取两个非零矢量，通过调整两个非零 矢量的作用时间合成虚拟矢量，组建获得两种虚拟矢量集，具体共有两种合成 方式：
[0017]
从四种非零矢量中抽取相对应的两个非零矢量，通过调整两个非零矢量的 作用时间，使虚拟矢量在x-y子平面的作用效果为零，合成为两种虚拟矢量集。 具体合成方式为：第一种虚拟矢量集包括12个虚拟矢量，用v
1n
(n＝1,
…
,12)表 示，使用幅值为|v
ln
|的大非零矢量和幅值为|v
mln
|的次大非零矢量合成；第二种 虚拟矢量集包括12个虚拟矢量，用v
2n
(n＝1,
…
,12)表示，使用幅值为|v
mln
|的次 大非零矢量和幅值为|v
sn
|的小非零矢量合成。
[0018]
第一种虚拟矢量集的合成方式：
[0019][0020]
第二种虚拟矢量集的合成方式：
[0021][0022]
式中，ts为一个控制周期时长；t1、t2和t3分别为大非零矢量、次大非零矢 量和小非零矢量的作用时间；|v
1nαβ
|和|v
1nxy
|分别为第一种虚拟矢量在α-β子平面 和x-y子平面内的幅值；|v
2nαβ
|和|v
2nxy
|分别为第二种虚拟矢量在α-β子平面和x
‑ꢀ
y子平面内的幅值。
[0023]
根据转矩给定值与转矩实际值之间的差值δte数值的大小来判断出双三相 永磁同步电机的运行状态，结合以下公式所示的转矩给定值与转矩实际值之间 的差值δte数值范围，选择出要作用于电机的虚拟矢量集：
[0024][0025]
式中，δte表示转矩给定值与转矩实际值之间的差值，b
t
表示转矩滞环控 制器的滞环宽度，δψs表示磁链给定值与磁链实际值之间的差值，v
′
n (n＝1,
…
,12)为在不同运行状态下所选择的虚拟矢量集；b
t
表示转矩滞环控制器 的滞环宽度。
[0026]
所述步骤二中，以定子磁链方向为x
ψ
轴，超前x
ψ
轴90
°
为y
ψ
轴，建立定子 磁链坐标系x
ψ-y
ψ
。
[0027]
所述步骤二中，虚拟矢量集v
′n的评价参数按照以下公式计算：
[0028][0029]
式中，λ
t
、λ
ψ
和λe分别为转矩评价参数、磁链评价参数和反电动势评价参 数；v
yψ
和v
xψ
分别为虚拟矢量集v
′n在定子磁链x
ψ
轴和y
ψ
轴上的分量；|v
αβ
|为在 α-β子平面内合成的虚拟矢量的幅值，当选择第一种虚拟矢量集时幅值为|v
1nαβ
|， 当选择第二种虚拟矢量集时幅值为|v
2nαβ
|；ω为角频率；ψs为定子磁链幅值。
[0030]
所述步骤二中，根据选择出的虚拟矢量集里，选取每个虚拟矢量计算12 次，得到12组评价参数，选择转矩评价参数最大的虚拟矢量作为主虚拟矢量， 磁链评价参数最大的虚拟矢量作为从虚拟矢量，主虚拟矢量和从虚拟矢量不会 重合且都同时满足转矩和磁链的增减需求。
[0031]
并结合步骤一，双三相永磁同步电机在不同运行状态下选取不同幅值的虚 拟矢量集，在一个周期中有主从虚拟矢量共同作用，可合成幅值方向可调的电 压矢量作用于电机。
[0032]
转矩、磁链评价参数能够更精确的表示出所选的主从虚拟矢量对双三相永 磁同步电机转矩和磁链的影响程度。
[0033]
本发明上述处理不再局限每个控制周期只在12个固定方向上的电压矢量 中选择，使得双三相永磁同步电机的电压矢量的选择范围扩大。
[0034]
本发明上述处理使双三相永磁同步电机可在不同转矩误差情况下选取不同 幅值的虚拟矢量，在一个周期中有主从虚拟矢量共同作用，可合成幅值方向可 调的电压矢量作用于电机。同时转矩评价参数和磁链评价参数能够更精确的表 示出所选的主从虚拟矢量对双三相永磁同步电机转矩和磁链的影响程度。
[0035]
所述步骤三，具体是由评价参数和主从虚拟矢量占空比建立在整个周期内 的转矩方程和磁链方程分别为：
[0036][0037][0038]
式中，δψs表示磁链给定值与磁链实际值之间的差值；l
t
为转矩系数；l
ψ 为磁链系数；λ
tm
和λ
ψm
分别为主虚拟矢量的转矩评价参数和磁链评价参数；λ
ts
和λ
ψs
分别为从虚拟矢量的转矩评价参数和磁链评价参数；dm和ds分别表示主 虚拟矢量和从虚拟矢量的占空比计算值。
[0039]
联立上述公式计算出主从虚拟矢量的占空比dm和ds。
[0040]
所述步骤四中，对主从虚拟矢量的占空比dm和ds按照以下公式进行规范 化处理获得主从虚拟矢量实际占空比分别为d
′m和d
′s：
[0041][0042]
更进一步地，步骤四后根据输出电压的平均值与脉冲宽度和脉冲位置的关 系，可以将主从虚拟矢量的开关序列重新修正，修正规律为使修正后的开关序 列各相的高电平作用时间不变，且修正后的虚拟矢量也不变，保证了主从虚拟 矢量在α-β子平面和x-y子平面的作用效果不变。并分析出不同占空比数值下的 非零矢量作用顺序，这样能够避免不对称开关序列所带来的硬件实现难度。
[0043]
本发明控制方法，在双三相永磁同步电机稳态和瞬态时选用幅值不同的虚 拟矢量集，减小双三相永磁同步电机固有5、7次谐波含量。根据评价参数选 取出主从虚拟矢量共同作用于一个控制周期，结合评价参数的具体数值对主从 虚拟矢量的占空比重新计算分配，减小双三相永磁同步电机的转矩波动和磁链 波动。对生成的六相开关序列重新修正为对称波形，便于硬件实现，并总结出 在奇偶扇区中，不同占空比大小所对应的非零矢量的作用顺序。
[0044]
本发明的有益效果是：本发明使用双三相永磁同步电机的两种虚拟矢量集 将x-y平面的电压幅值抑制为零，有效减小了5、7次谐波的同时也提高了对转 矩的控制精度；使用评价参数的精确数值对主从虚拟矢量占空比计算并分配， 减小了转矩波动和磁链波动，并增加了矢量的调节范围；对主从虚拟矢量的开 关序列重新修正，使修正后的开关序列各相的高电平作用时间不变，且修正后 的虚拟矢量也未改变，在降低硬件实现难度的同时也保证了谐波抑制的有效性。
附图说明
[0045]
图1是基于占空比分配策略的双三永磁同步电机直接转矩控制方法实施例 的原理图；
[0046]
图2(a)是非零电压矢量在α-β子平面内的空间分布图；图2(b)是非零电压矢量在x-y子平面内的空间分布图；
[0047]
图3是虚拟矢量合成原理图；
[0048]
图4是两种合成方式的虚拟矢量空间分布图；
[0049]
图5是第一种合成方式虚拟矢量开关序列图；
[0050]
图6是主从虚拟矢量开关序列图；
[0051]
图7是扇区i主从虚拟矢量开关序列修正图；
[0052]
图8是扇区ii主从虚拟矢量开关序列修正图。
具体实施方式
[0053]
下面结合实施例和附图对本发明的基于占空比分配策略的双三永磁同步电 机直
接转矩控制方法做出详细说明。
[0054]
本发明的方法原理图如图1所示，方法包括如下步骤：
[0055]
步骤一：双三相永磁同步电机由空间矢量解耦方法，将电机的六相分别映 射到α-β子平面、x-y子平面和o
1-o2子平面，且三个子平面在空间中两两垂直， 其中α-β子平面上电机的各分量为基波分量，参与机电能量转换，x-y子平面和 o
1-o2子平面为谐波子平面，不参与机电能量转换。由于双三相永磁同步电机两 套绕组中性点相互隔离，其o
1-o2子平面可忽略不计，其余α-β子平面和x-y子 平面会产生幅值不同的四种非零矢量，分别为12个大非零矢量v
ln
、12个次大 非零矢量v
mln
、24个中非零矢量v
mn
、12个小非零矢量v
sn
，n表示序数。非 零矢量在α-β子平面和x-y子平面内的分布情况如图2所示，四种非零矢量的幅 值大小如下公式处理获得：
[0056][0057]
式中，|v
ln
|、|v
mln
|、|v
mn
|和|v
sn
|分别表示大非零矢量幅值、次大非零矢量 幅值、中非零矢量幅值和小非零矢量幅值；u
dc
为直流母线电压。
[0058]
如图3所示的虚拟矢量合成原理图，大非零矢量、次大非零矢量和小非零 矢量在α-β子平面内方向一致，但在x-y子平面内方向相反，从四种非零矢量中 抽取两个非零矢量，通过调整两个非零矢量的作用时间合成虚拟矢量，使虚拟 矢量在x-y子平面的作用效果为零，组建获得两种虚拟矢量集，具体合成方式 为：第一种虚拟矢量集包括12个虚拟矢量，用v
1n
(n＝1,
…
,12)表示，使用幅值 为|v
ln
|的大非零矢量和幅值为|v
mln
|的次大非零矢量合成；第二种虚拟矢量集包 括12个虚拟矢量，用v
2n
(n＝1,
…
,12)表示，使用幅值为|v
mln
|的次大非零矢量和 幅值为|v
sn
|的小非零矢量合成。
[0059]
第一种虚拟矢量集的合成方式：
[0060][0061]
第二种虚拟矢量集的合成方式：
[0062][0063]
式中，ts为一个控制周期时长；t1、t2和t3分别为大非零矢量、次大非零矢 量和小非零矢量的作用时间；|v
1nαβ
|和|v
1nxy
|分别为第一种虚拟矢量在α-β子平面 和x-y子平面内的幅值；|v
2nαβ
|和|v
2nxy
|分别为第二种虚拟矢量在α-β子平面和x
‑ꢀ
y子平面内的幅值。
[0064]
计算可得两组虚拟矢量作用时间t1和t2、t2和t3分别为0.731ts和0.269ts、 0.578ts和0.422ts。两种虚拟矢量的空间分布情况如图4所示，其中第一种合 成方式的虚拟矢量在α-β子平面内幅值为0.597u
dc
，与大非零矢量幅值非常接近， 具有较大的转矩和磁链变化；第二种合成方式的虚拟矢量在α-β子平面内幅值 为0.345u
dc
，为大非零矢量幅值一半左右，可以进一步减少转矩波动。
[0065]
步骤二：如图1所示框图的虚线部分根据转矩给定值与转矩实际值之间的 差值δte数值的大小来判断出双三相永磁同步电机的运行状态，结合以下公式 所示的转矩给定值与转矩实际值之间的差值δte数值范围，选择出要作用于电 机的虚拟矢量集：
[0066][0067]
式中，δte表示转矩给定值与转矩实际值之间的差值，b
t
表示转矩滞环控 制器的滞环宽度，δψs表示磁链给定值与磁链实际值之间的差值，v
′
n (n＝1,
…
,12)为在不同运行状态下所选择的虚拟矢量集；b
t
表示转矩滞环控制器 的滞环宽度。
[0068]
以定子磁链方向为x
ψ
轴，超前x
ψ
轴90
°
为y
ψ
轴，建立定子磁链坐标系x
ψ-y
ψ
， 虚拟矢量集v
′n的评价参数按照以下公式计算：
[0069]
[0070]
式中，λ
t
、λ
ψ
和λe分别为转矩评价参数、磁链评价参数和反电动势评价参 数；v
yψ
和v
xψ
分别为虚拟矢量集vn′
在定子磁链x
ψ
轴和y
ψ
轴上的分量；|v
αβ
|为在 α-β子平面内合成的虚拟矢量的幅值，当选择第一种虚拟矢量集时幅值为|v
1nαβ
|， 当选择第二种虚拟矢量集时幅值为|v
2nαβ
|；ω为角频率；ψs为定子磁链幅值。
[0071]
根据选择出的虚拟矢量集里，选取每个虚拟矢量计算12次，得到12组评 价参数，选择转矩评价参数最大的虚拟矢量作为主虚拟矢量，磁链评价参数最 大的虚拟矢量作为从虚拟矢量，主虚拟矢量和从虚拟矢量不会重合且都同时满 足转矩和磁链的增减需求。如图4以第i扇区为例，当定子磁链位于第i扇区 时，根据全部虚拟矢量所对应评价参数的影响效果，在电机瞬态运行时，第一 种合成方式的3个虚拟矢量v
11
、v
12
和v
13
都可以在增大转矩的同时也增大磁 链，选取转矩评价参数最大的虚拟矢量v
13
为主虚拟矢量，磁链评价参数最大 的虚拟矢量v
11
为从虚拟矢量。同理，在电机稳态运行时，选取第二种合成方 式的虚拟矢量v
23
为主虚拟矢量，虚拟矢量v
21
为从虚拟矢量。
[0072]
步骤三：令主从虚拟矢量的占空比分计算值别为dm和ds，由评价参数和主 从虚拟矢量占空比可得在整个周期内的转矩方程为：
[0073][0074]
式中，l
t
为转矩系数；λ
tm
和λ
ts
分别为主从虚拟矢量的转矩评价参数。
[0075]
同理得磁链方程的表达式为：
[0076][0077]
式中，l
ψ
为磁链系数；δψs表示磁链给定值与磁链实际值之间的差值；λ
ψm
和λ
ψs
分别为主从虚拟矢量的磁链评价参数。联立方程组可计算出主从虚拟矢量 占空比dm和ds。
[0078]
双三相永磁同步电机的转矩和磁链波动较大，且转矩系数、磁链系数的不 精确，导致主从虚拟矢量的占空比计算值不一定在0和1之间，对主从虚拟矢 量的占空比重新分配设定，实现规范化的值。按照以下公式处理获得主从虚拟 矢量实际占空比d
′m和d
′s：
[0079][0080]
步骤四：当单个虚拟矢量作用于整个控制周期时，两个非零矢量在不同扇 区会形成不同的开关序列。如图5所示为第一种合成方式的v
11
和v
12
，单个虚 拟矢量的开关序列中虚拟矢量v
12
的b相在一个周期内开关次数较多且波形不 对称，同理如图6所示为第i扇区和第ii扇区的主从虚拟矢量开关序列，主从 虚拟矢量在一个周期内也存在开关次数较多且波形不对称的问题，这样会增加 硬件实现的难度，同时也会降低谐波抑制的效果。
[0081]
为避免不对称开关序列所带来的硬件实现难度，根据输出电压的平均值与 脉冲
宽度和脉冲位置的关系，可以将主从虚拟矢量的开关序列重新修正，并分 析出不同占空比数值下的非零矢量作用顺序。修正规律总结为：使修正后的开 关序列各相的高电平作用时间未发生变化，且修正后的虚拟矢量也未改变，保 证了主从虚拟矢量在α-β子平面和x-y子平面的作用效果不变。
[0082]
以第i扇区和第ii扇区中第一种合成方式的主从虚拟矢量v
11
和v
13
、v
12
和v
14
为例分析其开关序列修正方式。
[0083]
因主从虚拟矢量的占空比大小变化不定，其所修正的开关序列也有较多种 情况，下面根据主虚拟矢量占主导地位的原则，对奇偶扇区的开关序列修正方 式进行详细分析。
[0084]
当定子磁链位于第i扇区时，如图7所示；
[0085]
当0《d
′m《0.27时，非零矢量v
l1
和v
ml1
由非零矢量v
m1
、v
l2
和v
m4
所替代；
[0086]
当0.27《d
′m《0.73时，非零矢量v
ml1
和v
ml3
由非零矢量v
m1
、v
l2
和v
m4
所 替代；
[0087]
当0.73《d
′m《1时，非零矢量v
l3
和v
ml3
由非零矢量v
m1
、v
l2
和v
m4
所替代。
[0088]
当定子磁链位于第ii扇区时，如图8所示；
[0089]
当0《d
′m《0.5时，非零矢量v
l2
、v
ml2
和v
ml4
由非零矢量v
l3
、v
ml3
和v
m8
所替代；
[0090]
当0.5《d
′m《0.73时，非零矢量v
l4
、v
ml4
和v
ml2
由非零矢量v
l3
、v
ml3
和 v
m1
所替代；
[0091]
当0.73《d
′m《1时，非零矢量v
l4
、v
ml4
和v
ml2
由非零矢量v
l1
、v
l3
和v
m1
所替代。
[0092]
其余各个奇偶扇区均可在以上d
′m三个取值范围内，非零矢量可用其余不同 的非零矢量等效替代将不对称波形修正为对称波形，同理，在稳态运行条件下 第二种合成方式的主从虚拟矢量开关序列也可按照该规律进行对称修正。
[0093]
本发明使用了双三相永磁同步电机的两种虚拟矢量集，并引进评价参数来 计算并分配主从虚拟矢量的占空比，减小电流谐波含量的同时也提高了对转矩 和磁链的控制精度，抑制了转矩波动和磁链波动；将主从虚拟矢量的开关序列 修正为对称波形，在降低硬件实现难度的同时也保证了谐波抑制的有效性。