本發明屬于電機技術領域，尤其涉及一種永磁同步電機無差拍直接轉矩控制系統及控制方法。

背景技術：

本發明主要應用對象為電動汽車用永磁同步電機。電動汽車用永磁同步電機包括集中驅動式和輪轂驅動式兩種。集中驅動式永磁同步電機體積小、重量輕、轉矩密度大，輪轂驅動式場調制型永磁輪轂電機(本質也是永磁同步電機)基于磁場調制原理，具有輸出低轉速、大轉矩的特性，它們在電動汽車驅動系統中都有很大的應用前景。目前，電動汽車用永磁同步電機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，但其轉矩響應相對較慢。為了提高轉矩響應，可采用直接轉矩控制。直接轉矩控制具有較快的轉矩響應，但其采用滯環控制的方法帶來了逆變器開關頻率不固定、轉矩紋波較大等問題。無差拍直接轉矩控制是一種改進的控制策略，利用永磁同步電機的數學模型，在離散狀態下根據轉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在一個控制周期內消除轉矩和磁鏈誤差。但是由于采樣和計算時間的存在，當前控制周期產生的控制信號必需等到下一控制周期才能給到逆變器，這嚴重影響了系統的穩定性。

為了解決無差拍直接轉矩控制一周期延遲的問題，使無差拍直接轉矩控制能在永磁同步電機中有效應用，可以利用狀態觀測器在當前控制周期預測出下一控制周期系統的狀態，并通過無差拍控制算法計算出下一控制周期應產生的控制信號，在下一控制周期開始時給到逆變器，消除延遲。

技術實現要素：

發明目的：為了解決現有技術中永磁同步電機采用矢量控制或直接轉矩控制分別帶來的轉矩響應較慢和轉矩紋波較大的問題，本發明提出了一種永磁同步電機無差拍直接轉矩控制系統及控制方法，基于離散狀態觀測器對定子電流進行預測，實現永磁同步電機無差拍直接轉矩控制。

技術方案：為了實現上述目的，本發明中永磁同步電機無差拍直接轉矩控制系統，包括：編碼器、狀態觀測器、無差拍控制器、svpwm調制模塊、逆變器；對于某一控制周期k，

所述編碼器用于獲取電機旋轉電角速度ωr和電機轉速n；利用所述電機轉速n與轉速給定值nref的偏差通過pi調節器計算電磁轉矩給定值teref；

所述狀態觀測器用于根據當前控制周期永磁同步電機的定子電流和定子電壓以及電機旋轉電角速度ωr計算下一控制周期定子磁鏈的預測值和電磁轉矩的預測值te^*；

所述無差拍控制器以電磁轉矩給定值teref與電磁轉矩預測值te^*所求得的轉矩偏差δte以及定子磁鏈的預測值作為輸入參數計算參考電壓vd和vq；

所述svpwm調制模塊根據所述參考電壓vd和vq經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所述控制信號控制永磁同步電機的電壓。

其中，所述狀態觀測器包括電流預測模塊、磁鏈預測模塊和轉矩預測模塊。

所述電流預測模塊用于利用觀測器方程根據當前控制周期永磁同步電機的定子電流和定子電壓以及電機旋轉電角速度ωr計算下一控制周期定子電流的初始預測值將上一控制周期對當前控制周期定子電流的預測值與當前控制周期定子電流的實際值之間的誤差輸入pi調節器，利用pi調節器根據該誤差值計算并輸出誤差補償值，將該誤差補償值與所述定子電流初始預測值相加進而得到最終的定子電流預測值

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

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

相應地，本發明還公開了一種永磁同步電機無差拍直接轉矩控制方法，應用于上述控制系統，該方法包括以下步驟：

所述編碼器獲取電機旋轉電角速度ωr和電機轉速n；

所述電機轉速n與轉速給定值nref的偏差通過pi調節器計算電磁轉矩給定值teref；

所述狀態觀測器根據當前控制周期永磁同步電機的定子電流和定子電壓以及電機旋轉電角速度ωr計算下一控制周期的定子磁鏈的預測值和電磁轉矩的預測值te^*；

所述無差拍控制器以電磁轉矩給定值teref與電磁轉矩預測值te^*所求得的轉矩偏差δte以及定子磁鏈預測值作為輸入參數計算參考電壓vd和vq；

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

所述逆變器根據所述控制信號控制永磁同步電機的電壓。

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

利用觀測器方程根據當前控制周期永磁同步電機的定子電流和定子電壓以及電機旋轉電角速度ωr計算下一控制周期定子電流的初始預測值

將上一控制周期對當前控制周期定子電流的預測值與當前控制周期定子電流的實際值之間的誤差輸入pi調節器，利用pi調節器根據該誤差值計算并輸出誤差補償值，將該誤差補償值與所述定子電流初始預測值相加進而得到最終的定子電流預測值

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

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

有益效果：本發明中永磁同步電機無差拍直接轉矩控制系統及控制方法，采用離散狀態觀測器，能夠利用當前控制周期的定子電流、定子電壓以及轉速采樣值準確地預測下一控制周期的定子電流，進而計算出下一控制周期永磁同步電機定子磁鏈和電磁轉矩的預測值，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調制產生控制信號，并在下一控制周期開始時作用到逆變器，實現永磁同步電機的無差拍直接轉矩控制。本發明解決了無差拍直接轉矩控制存在一周期延遲的問題，使得無差拍直接轉矩控制能夠運用于永磁同步電機。整體控制系統的轉矩脈動小、響應快，大大改善了永磁同步電機的運行性能。

附圖說明

圖1是本發明中永磁同步電機無差拍直接轉矩控制系統的原理框圖；

圖2是本發明中利用觀測器方程求解電流初始預測值的原理框圖；

圖3是本發明中電流觀測器原理框圖；

圖4是本發明中用于永磁同步電機無差拍直接轉矩控制的狀態觀測器原理框圖；

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是永磁同步電機無差拍直接轉矩控制系統實驗波形。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

圖1中的永磁同步電機無差拍直接轉矩控制系統主要包括：編碼器、狀態觀測器、無差拍控制器、svpwm調制模塊、逆變器，在一個控制周期內，利用電流傳感器測得永磁同步電機a、b相電流ia(k)、ib(k)，經clarke和park變換得到兩相旋轉坐標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編碼器采樣計算得到的電機旋轉電角速度ωr輸入狀態觀測器計算下一控制周期定子磁鏈和電磁轉矩的預測值和te^*。利用編碼器測得的電機轉速n與轉速給定值nref的偏差通過pi調節器計算出電磁轉矩給定值teref，進而與電磁轉矩預測值te^*求得轉矩偏差δte。將轉矩偏差δte以及定子磁鏈的預測值作為無差拍控制器的輸入參數，利用無差拍直接轉矩控制器計算參考電壓vd和vq，并利用svpwm調制策略得到逆變器的控制信號，控制逆變器運行，控制電機相電壓。

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

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ld或交軸電感lq，ωr為電機旋轉電角速度，λpm為永磁磁鏈。離散狀態下，用向前差商近似代替導數將(1)和(2)離散化：

由于定子繞組電感的存在，在永磁同步電機運行過程中，定子電流不能突變，而定子電壓可以突變。因此離散狀態下，可近似認為在一個控制周期內，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系，定子磁鏈也線性變化。在一個控制周期內對(3)進行數值積分，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)定子電流的初始預測值的觀測器方程，見式(6)和(7)，式中，為直軸電流的初始預測值，為交軸電流的初始預測值，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。

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

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

可以進一步預測下一控制周期的電磁轉矩te^*。

上述無差拍控制器數學模型由永磁同步電機模型逆向推導而來，具體表達式為：

式中，

δte為預測電磁轉矩與給定電磁轉矩的差值，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測結果的matlab/simulink仿真波形，仿真中控制周期為2khz，從圖中可以看出當前控制周期對下一控制周期定子電流的預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測結果的實驗波形，實驗中控制周期為5khz，從圖中可以看出當前控制周期對下一控制周期定子電流的預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無差拍直接轉矩控制系統實驗波形，可見轉速、轉矩波形較平穩，電流波形thd達到了3.40％。

以上僅是本發明的優選實施方式，應當指出以上實施列對本發明不構成限定，相關工作人員在不偏離本發明技術思想的范圍內，所進行的多樣變化和修改，均落在本發明的保護范圍內。