阅读说明：本技术 一种开绕组电机变母线电压工况下直接转矩控制优化方法 (Direct torque control optimization method for open-winding motor under variable bus voltage working condition ) 是由 孔祥浩 陶文杰 魏佳丹 张卓然 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种开绕组电机变母线电压工况下直接转矩控制优化方法,以降低单位控制周期内的转矩变化的增加量和减小量的差值为目标,优化选择开关表控制策略中的空间电压矢量,降低基于开关表的直接转矩控制下的的开绕组电机输出转矩脉动,并以双电源母线电压的比值作为控制变量,结合定子磁链在十八扇区中所处的位置和滞环控制器输出信号在线选择开关表,实现变母线电压工况下开绕组永磁电机的优化控制。该控制方法能够有效提升蓄电池供电条件下开绕组电机的驱动输出性能。(The invention discloses a direct torque control optimization method for an open-winding motor under a variable bus voltage working condition, which aims to reduce the difference value between the increment and the decrement of torque change in a unit control period, optimizes and selects a space voltage vector in a switch table control strategy, reduces the output torque ripple of the open-winding motor under the direct torque control based on the switch table, takes the ratio of the voltage of a double-power bus as a control variable, and combines the position of a stator flux linkage in eighteen sectors and an on-line selection switch table of output signals of a hysteresis controller to realize the optimal control of the open-winding permanent magnet motor under the variable bus voltage working condition. The control method can effectively improve the driving output performance of the open winding motor under the condition of power supply of the storage battery.)

一种开绕组电机变母线电压工况下直接转矩控制优化方法

技术领域

本发明涉及一种适用于变母线电压工况下开绕组永磁电机的直接转矩控制优化方法，属于电机系统及控制领域。

背景技术

开绕组电机是在不改变传统的三相交流电机的磁路和结构的前提下，将电机电枢绕组的中性点打开，两端分别通过三相变换器进行控制的一种交流电机。与传统的三相交流电机相比，不但开绕组电机的基本性能不会受到影响，而且开绕组电机各绕组之间相对独立，电机本体的可靠性会有一定的提高；开绕组电机在双逆变器控制系统下，能够等效为三或四电平系统，且不存在多电平变换器固有的中点电压平衡问题，能够更加方便的减小电流谐波含量；从功率角度，在相同的电流谐波要求下，双变换器系统的开关频率要明显低于单逆变器系统，且通过对变换器功率的合理配置，双变换器系统中的单个变换器功率也能够大大减小，所以开绕组电机在宽转速范围和大功率场合的优势非常明显。

现有开绕组电机根据双变换器的直流母线连接方式能够分为串联式和并联式两种拓扑结构，并联式拓扑结构两侧的变换器共用直流母线只需要一个直流源，虽然供电电源形式简单，但是这种结构会为系统中零序电流提供通路，并且基于开关表的直接转矩控制(DTC)很难较好的抑制并联式拓扑下开绕组电机中的零序电流，因此开绕组电机驱动系统往往会直接采用开绕组电机的串联式拓扑，相比较并联式拓扑，系统中需要两个相互隔离的直流源，供电电源的成本增加，但是由于没有零序电流通路，不需要考虑零序电流抑制的问题，从而在结构上避免了开绕组电机系统控制过程中的零序电流。且双电源变换器供电还能够通过两侧母线电压的合理配置，合成更多的电压矢量，尤其在两侧母线电压不相等时则能够等效为四电平系统，为DTC中开关表的优化提供更大的空间，在具备多电源供电条件的电机驱动系统中，如电动汽车驱动应用场合，采用串联式开绕组电机拓扑结构结合DTC使得驱动系统具有优良的输出特性。

然而，串联式开绕组电机系统中，给变换器供电的电池的工作过程是一个复杂的电化学过程，受到温度、电流、功率以及剩余电量等多方面的影响，其电压在整个工作过程中必然不是固定的，以动力电池组为例，其输出电压随着运行工况会发生变化：

1)相同的荷电状态下，电池组的电压与放电电流大小成反比；

2)相同容量下，电池组电压与温度大小成反比；

3)随着充放电过程不断循环，电池组性能劣化也会导致电压输出能力下降。

而系统中的电压空间矢量的分布与两侧母线电压幅值息息相关，除了上述动力电池组电压在实际充放电过程中会发生变化的问题，受电源特性的影响，开绕组电机驱动系统中存在诸多母线电压幅值变化的情形，都会导致空间电压矢量幅值及其相互之间的角度关系发生变化，在这种情况下，DTC控制各种采用预先设置好的离线开关表可能就不再适应当前母线电压所合成的电压矢量，必然会导致控制性能的劣化甚至可能导致系统不稳定的情况，所以就需要对变电压工况下的开关表进行针对性的改进，以提升开绕组电机DTC系统的性能。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种以减小转矩控制过程中转矩增加量与转矩减小量差值为矢量优化原则，优化变母线电压工况下的开关表方案，保证了电机在变母线工况运行条件下的电机输出性能，减小了直接转矩控制控制下开绕组电机的转矩脉动。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种开绕组电机变母线电压工况下直接转矩控制优化方法，所述开绕组电机包括两逆变器，两逆变器的母线电压分别为U_dc1和U_dc2，所述控制优化方法包括如下步骤：

步骤一、采集三相电流i_a、i_b、i_c，三相电压u_a、u_b、u_c，双逆变器母线电压U_dc1，U_dc2，以及电机位置角θ_r；

步骤二、将采集到的电流信号i_a、i_b、i_c和电压信号u_a、u_b、u_c，进行3/2变换得到定子电流i_sα、i_sβ以及电压α、β轴分量u_sα、u_sβ；

步骤三、利用变换后的i_sα、i_sβ、u_sα、u_sβ进行定子磁链观测，得到定子磁链ψ_sα和ψ_sβ；利用定子磁链ψ_sα和ψ_sβ得到定子磁链幅值ψ_s；

利用得到的ψ_sα、ψ_sβ、i_sα、i_sβ计算电机的电磁转矩T_e；

步骤四、利用采集到的位置角信号计算转速实际值ω_r，将电机转速给定值ω_r*和转速实际值ω_r进行相减，得到转速误差ε_ω，将转速误差ε_ω经过PI控制模块，得到转矩给定值T_e*

步骤五、根据计算得到的电磁转矩与转矩给定值的比较得到转矩控制信号τ，根据计算得到的磁链幅值ψ_s与磁链给定值ψ_s*的比较得到磁链控制信号φ，其计算公式为：

步骤六、通过九条边界直线将开绕组电机的整个360度矢量空间均分为十八扇区，定义扇区正负判断函数如下：

当自变量z为负或零时，函数值为0，自变量z为正时，函数值为1；九条边界直线经过正负判断函数之后的结果定义为a～i，根据定子磁链在αβ坐标系中相对扇区边界位置来确定a～i的正负；

格局变量a～i得到扇区编号N，对应公式为：

N＝2a+3b+2c+2d+2e+2f+2g+3h+i；

步骤七、根据采样得到的U_dc1，U_dc2，计算母线电压比例x＝U_dc2/U_dc1，若x在区间0.8～1内，选择开关表控制方案1；

方案1

若x在区间0.655～0.8内，选择开关表控制方案2；

方案2

若x在区间0.5～655内，选择开关表控制方案3。

方案3

对上述技术方案的进一步设计为：所述步骤二中，将电流和电压信号进行3/2变换的变换矩阵为：

所述步骤三中，定子磁链ψ_sα和ψ_sβ的计算公式为：

式中R表示开绕组永磁同步电机一相定子电枢绕组电阻。

所述步骤三中，定子磁链幅值计算公式为：

所述步骤三中，电磁转矩的计算公式为：

式中P_n为电机极对数。

所述步骤六中，根据定子磁链在αβ坐标系中相对扇区边界位置来确定a～i正负的计算公式为：

本发明与现有技术相比具有的有益效果为：

相比于传统离线开关表控制方式，本发明提出的在线选择开关表控制策略转矩脉动更小，在宽母线电压变化范围内转矩稳定性更高。

发明所提出的变母线电压工况开关表优化直接转矩控制策略可以在宽母线电压变化范围内使得电机能正常驱动，相比于采用传统离线开关表控制策略的电机系统，采用本发明控制策略的电机系统输出性能更加稳定。

附图说明

图1为双电源供电的开绕组电机拓扑结构；

图2为开绕组电机空间矢量合成以及十八扇区划分示意图；

图3为单位周期内电压空间矢量对定子磁链作用的示意图；

图4为变母线电压工况下合成电压矢量示意图；

图5为增大转矩的电压矢量选择示意图；

图6为大矢量所在扇区的三种减小转矩电压矢量选择方案示意图；

图7为非大矢量所在扇区的三种减小转矩电压矢量选择方案示意图；

图8为大矢量所在扇区△T_e+与△T_e-二者之差示意图；

图9为非大矢量所在扇区△T_e+与△T_e-二者之差示意图；

图10为变母线电压工况下开绕组电机开关表直接转矩控制框图；

图11为扇区计算示意图；

图12为变母线电压工况下开关表优化前后输出转矩波形。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的开绕组电机变母线电压工况下直接转矩控制优化方法，目的在于通过对电机转矩不对称性的分析，得到转矩增加量以及转矩减小量的单位周期表达式，并提出一种以上述转矩增加量减小量差值最小化为原则的开关表直接转矩控制方法。

本发明中双电源供电的开绕组电机拓扑结构如图1所示，逆变器1和逆变器2的母线电压分别为U_dc1和U_dc2，在两侧逆变器母线电压不等的时候，原本母线电压相等情况下的开绕组双逆变器等效三电平拓扑将变为四电平拓扑，其双逆变器合成的电压矢量及其对应的开关状态以及最***六边形包含的18个空间电压矢量如图2所示，其中(a)(b)部分分别为双逆变器合成的电压矢量及其对应的开关状态，图2(c)中的矢量V_xy依据图2(a)(b)中空间电压矢量合成：即选用逆变器1产生的6个基本电压矢量中的x矢量，选用逆变器2产生的6个基本电压矢量中的y矢量。以母线电压比例1:0.5条件下的扇区划分为例，依此将空间划分为18个扇区，每个扇区占20度，如图2(d)所示，18个扇区中6个较大幅值的电压矢量所对应的扇区定义为大电压矢量所在扇区，12个较小幅值电压矢量所对应的扇区定义为非大电压矢量所在扇区。定义母线电压幅值U_dc2/U_dc1为x。

本发明通过对转矩变化量的分析，研究了转矩控制过程中转矩增加量以及转矩减小量变化的不对称性，以减小二者差值为矢量优化原则，优化了变母线电压工况下的开关表方案。

本发明对转矩不对称性分析如下：

表贴式永磁同步电机的电磁转矩方程可以表示为其中p为电机极对数，ψ_f为永磁体磁链，δ为电机的转矩角，L_s为电枢电感。在电机运行过程中，电机电磁转矩全微分方程可以表示为其中Δψ_s为定子磁链在单位控制周期内的变化量，Δδ为转矩角的变化量。如图3所示的是单位周期内电压空间矢量对定子磁链作用的示意图，由图3可以得到单位周期内磁链幅值的表达式为Δψ_s(n)＝|u_s(n-1)|T_s cosθ_uψ(n-1)，其中T_s为控制周期，u_s为所选择的电压矢量，θ_uψ为电压矢量超前于定子磁链的角度，θ_ψu为电压矢量滞后于定子磁链的角度。转矩角变化量可以表示为定转子磁链角度变化量之差，即由此可以得到转矩变化量的详细表达式：

上式为单位周期内所选择的电压矢量作用下转矩变化量的详细表达式，该表达式可以划分为三个部分，分别用△T_e1、△T_e2和△T_e3表示：

若开关表控制中所选择的电压矢量为增大转矩，则三项都是正值，若所选择电压矢量用来减小转矩，则△T_e1和△T_e2为负值，而△T_e3仍然为正值。因此单位控制周期内转矩增加量和减小量的表达式可以表示为：

可以看出转矩增加量的值要比转矩减小量的值小2△T_e1，即电压矢量对转矩变化量的作用是不对称的。本发明提出的开关表优化策略即是以减小此转矩不对称性优化开绕组电机系统输出转矩脉动。

本发明中电压矢量选取原则如下：

由式(3)可知在其他条件相同的情况下，转矩减小量要比转矩增加量大2ΔT_e3，该值与电机转速以及转矩角余弦值成正比，即转速越高，负载越小，转矩减小量与转矩增加量之间的差值也会越大，转矩控制的不对称性也会越明显。因此以最恶劣的轻载条件下对转矩控制的不对称性进行分析，将负载角δ＝0o代入式(2)和(3)得到转矩控制不对称性最显著情况下，单位控制周期内转矩增加量和转矩减小量的表达式。变母线电压工况下的开关表优化分析即是基于使此二者差值最小的原则。

本发明中母线电压不等情况下合成电压矢量与电压比例关系推导分析如下：

本发明中变母线电压工况下合成电压矢量示意图如图4所示，根据几何关系可以计算出合成的电压矢量u的幅值和θx与x关系的表达式分别为:

在大矢量所在扇区，电压矢量幅值可以表示为|u|＝|U_a|(x+1)。

本发明中增大转矩的电压矢量选择方法如下：

本发明针对变母线电压工况下的开关表优化策略分析以十八扇区中大电压矢量所在扇区10和非大电压矢量所在扇区8为例，由于所划分十八扇区空间上对称性，其他扇区的分析与这两个典型扇区的分析在原理上相同。首先是针对使得转矩增大的电压矢量的选择，其选择示意图如图5所示，由于母线电压变化会导致各个扇区中使得单位控制周期内转矩增大量最大的电压矢量也会随之变化，为简化分析转矩控制不对称性与母线电压幅值比例的对应关系，始终选择超前于定子磁链所在扇区的第三个扇区所对应的电压矢量作为增大转矩增大磁链的电压矢量u₁，选择超前于定子磁链所在扇区的第六个扇区所对应的电压矢量作为增大转矩减小磁链的电压矢量u₂。

本发明中减小转矩的电压矢量选择方法如下：

经过式(4)的转矩不对称性分析，本发明所提出的开关表优化方法基于最小化转矩增量以及转矩减小量差值。因此首先需要计算转矩增量以及转矩减小量的表达式。由式(4)可知，单位控制周期内转矩增加量与|u₊|sinθ_uψ成正比，典型扇区10和8的|u₊|sinθ_uψ可由表1计算得：

表1：|u₊|sinθ_uψ计算公式

分别将两种典型扇区计算公式带入式(4)，可以计算出△T_e+的范围，计算时所用到的各参数值如下：p＝2，L_s＝8.17mH，ψ_f＝ψ_s＝0.432Wb，T_s＝5e-5s，|U_a|＝30V，计算所用转速为200rpm，经过计算，当母线电压比例从0.5变化到1的过程中，大矢量所在扇区的转矩增量范围在0.169～0.255区间内，非大矢量所在扇区转矩增量范围在0.132～0.2区间内，为了尽可能的减小转矩控制的不对称特性，在留有一定裕度的前提下，单位控制周期内转矩的减小量在此设置需要满足0<ΔT_e-<0.3。将转矩减小量范围带入式(4)可以求得|u_-|sinθ_ψu的范围，进一步求得θ_ψu的范围如式(6)所示：

|u-|和|u+|的计算方法一样，为了避免错漏就要在留有一定裕度的前提下使得θ_ψu的范围尽可能大，所以这里均是由来作为电压矢量u-的幅值。由此计算出在母线电压比例由0.5变化到1的过程中，θψu的范围在-27～30度范围内。因此以母线电压幅值比例为1:0.5情况下的电压矢量图为例，用10扇区代表大矢量所在扇区，用8扇区代表非大矢量所在扇区，分为两类来讨论使得转矩减小的电压矢量u₃(转矩减小，磁链减小)和u₄(转矩减小，磁链增大)的三种组合方案。大矢量所在扇区的三种减小转矩电压矢量选择方案如图6所示。非大矢量所在扇区的三种减小转矩电压矢量选择方案如图7所示。

典型扇区10和8的|u_-|sinθ_ψu可由表2计算得：

表2：|u_-|sinθ_ψu计算公式

将其带入式(4)可以计算得到△T_e-的取值范围曲线，与之前计算得到的△T_e+的取值范围曲线进行比较可以总结出：在大矢量所在扇区，采用矢量组合(a)和(b)得到的△T_e-与△T_e+最为接近，可以降低变母线工况下转矩脉动的问题。在非大矢量所在扇区，采用矢量组合(b)和(c)得到的△T_e-与△T_e+最为接近。图8是在大矢量所在扇区，△T_e+与△T_e-二者之差与0比较的曲线，当母线电压比例为0.655时矢量组合(a)和(b)的作用效果相同，当母线电压比例x在0.5～0.655范围内时，矢量组合(a)控制效果更优，当母线电压比例x在0.655～1范围内时，矢量组合(b)控制效果更优；图9是在非大矢量所在扇区，△T_e+与△T_e-二者之差与0比较的曲线，当母线电压比例为0.8时矢量组合(b)和(c)的作用效果相同，当母线电压比例x在0.5～0.8范围内时，矢量组合(b)控制效果更优，当母线电压比例x在0.8～1范围内时，矢量组合(c)控制效果更优。基于此可以依照母线电压比例得到优化后的开关表方案：

表3：开关表方案1(适用于母线电压比例x在0.8～1区间内)

表4：开关表方案2(适用于母线电压比例x在0.655～0.8区间内)：

表5：开关表方案3(适用于母线电压比例x在0.5～0.655区间内)：

本发明所采用的开绕组永磁电机控制系统结构如图1所示。该控制系统双逆变器模块，电机本体模块，电流信号采集模块，转速信号采集模块以及控制器模块组成。

如图10所示，本发明通过优化传统直接转矩控制中的开关表来对图1所示的电机系统进行控制，具体包括以下步骤：

步骤一、信号采集；

利用电流电压采样环节采集三相电流i_a、i_b、i_c，三相电压u_a、u_b、u_c，双逆变器母线电压U_dc1，U_dc2，以及电机位置角θ_r。

步骤二、信号变换；

将步骤一采集到的电流信号i_a、i_b、i_c，电压信号u_a、u_b、u_c，进行3/2变换得到定子电流以及电压αβ轴分量i_sα、i_sβ、u_sα、u_sβ，变换矩阵为：

步骤三、相关量计算；

利用变换后的i_sα、i_sβ、u_sα、u_sβ进行定子磁链观测，采用电压观测模型，计算公式为：

式中R表示开绕组永磁同步电机一相定子电枢绕组电阻。

定子磁链幅值计算方法如下：

利用得到的ψ_sα、ψ_sβ、i_sα、i_sβ计算电机的电磁转矩，转矩计算公式为：

其中P_n为电机极对数。

步骤四、转矩给定值的计算；

对于转矩给定值T_e*的计算，利用采集到的位置角信号计算转速实际值ω_r，按需求设定电机转速给定值ω_r*，并将电机转速给定值ω_r*和转速实际值ω_r进行相减，得到转速误差ε_ω，将转速误差ε_ω经过PI控制模块，得到转矩给定值T_e*

步骤五、转矩磁链控制信号计算；

按需求设定磁链给定值ψ_s*，根据计算得到的电磁转矩与转矩给定值的比较得到转矩控制信号τ，根据计算得到的磁链幅值与磁链给定值的比较得到磁链控制信号φ，其计算公式为：

步骤六、扇区判断；

根据图2的十八扇区划分，可以看出十八扇区划分下，一共有十八个扇区边界，其中两两共一条直线，所以应该总共存在与边界对应的九条直线。本发明定义扇区判断函数如下：

当自变量z为负或零时，函数值为0，自变量z为正时，函数值为1。九条边界直线经过正负判断函数之后的结果定义为a～i，根据定子磁链在αβ坐标系中相对扇区边界位置来确定a～i的正负，其具体计算公式如下：

如图11所示为扇区计算示意图。扇区编号N与变量a～i的对应关系如下：

N＝2a+3b+2c+2d+2e+2f+2g+3h+i

步骤七、开关表方案选择；

根据步骤(1)中采样得到的U_dc1，U_dc2，计算母线电压比例x＝U_dc2/U_dc1，若x在区间0.8～1内，选择方案1；若x在区间0.655～0.8内，选择方案2；若x在区间0.5～655内，选择方案3。

实施例

按照具体实施方式控制母线电压连续变化工况下的隔离母线开绕组电机系统，进行母线电压比例从1到0.5连续变化过程的仿真，给定仿真参数：逆变器1母线电压U_dc1保持60V恒定，逆变器2母线电压从60V连续变化到30V；电机开绕组永磁同步电机，该电机电枢绕组电感值8.17mH，电枢绕组电阻为1.3Ω，电机给定转速400rpm，电机带2N·m恒转矩负载，电机转子磁链幅值为0.43Wb。

变母线电压工况下优化前后的转矩仿真对比波形如图12所示，图12(a)是优化前的转矩输出波形，采用离线开关表控制策略；图12(b)是优化后的转矩输出波形，采用在线开关表控制策略。相比于传统离线开关表控制方式，本发明提出的在线选择开关表控制策略转矩脉动更小，在宽母线电压变化范围内转矩稳定性更高。

该测试实例验证本发明所提出的变母线电压工况开关表优化直接转矩控制策略可以在宽母线电压变化范围内使得电机能正常驱动，相比于采用传统离线开关表控制策略的电机系统，采用本发明控制策略的电机系统输出性能更加稳定。

以上所述仅是本发明的优选实施例，对于本领域的技术人员而言，在本发明的精神和原则范围内做出的若干等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。