用于直流无刷电机的单边矩阵变换器的直接转矩控制方法

技术领域

本发明涉及一种变换器的转矩控制方法，尤其是涉及了一种用于直流无刷电机的单边矩阵变换器的直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)方法。

背景技术

单边矩阵变换器(Single Sided Matrix Converter,SSMC)是一种简化的矩阵变换器，实现三相到多相转换。每相采用6个单向开关组成的阵列，使得输出端可以与任意一输入端连通。矩阵变换器与常用的桥式变换器相比，无需直流储能电容，适用温度范围更广，可靠性更高；但每相需要开关更多，成本较高。

单边矩阵变换器适于使用单向电流驱动的电机，如无刷直流电机和开关磁阻电机等。其控制通常采用电流滞环控制方式。但是在实际系统中，由于系统并不是理想的线性系统，转矩有可能和电流并不是线性关系，造成电流滞环控制的转矩控制效果不够理想。而且电流滞环控制并不是直接控制转矩，转矩响应速度可能也不够理想。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供了一种用于直流无刷电机的单边矩阵变换器的直接转矩控制方法，可在航空等可靠性要求较高的场合应用，实现转矩的直接控制并提高转矩响应速度。

本发明的技术方案是在单边矩阵变换器的输出端与直流无刷电机连接的情况下，如图2所示，采用以下方式进行直接转矩控制：

1)检测单边矩阵变换器输入端的三相电压，获得最大正电压V+和最大负电压V-；

2)检测直流无刷电机的转子电角度，判断获得转子电角度所在的扇区；

3)根据已通过仿真得到的转子电角度和反电势之间的关系由转子电角度得到各相反电势，同时检测得到单边矩阵变换器输出的各相电流，结合各相反电势和各相电流计算获得当前时刻的实际电磁转矩；

4)根据当前时刻的转子电角度所在的扇区，通过空间电压矢量选择方式对直流无刷电机中各相进行导通或者断开的选择控制，每一时刻电机有两相导通，并根据导通相的实际电磁转矩和其参考转矩滞环之间的关系施加电压，形成对转矩的直接控制。

本发明直接对转矩进行控制，使得实际电磁转矩接近于额定转矩，转矩波动较小且有快速的转矩响应；并且只需要设置一个转矩环即可，每一相分开控制，计算量很小，易于实现。

所述步骤4)中根据导通相的实际电磁转矩和其参考转矩滞环之间的关系施加电压具体是：

当前时刻下，对于导通两相的每一相，若其实际电磁转矩低于其参考转矩滞环下限，则对该导通相施加最大正电压V+，对其实际电磁转矩未低于其参考转矩滞环下限的导通相和所有非导通相施加V-；

对于导通两相中的任一一相，若其实际电磁转矩大于其参考转矩滞环上限，那么对所有相施加V-。

若均不满足上述两个情况，则各相保持与上一周期相同的施加电压。

由此，在本发明直流无刷电机的直接转矩控制中，并不需要控制磁链幅值，即不需要磁链环，只需要一个转矩环即可。实际转矩小于转矩环下限时增大转矩，即施加V-；实际转矩大于转矩环上限时减小转矩，即施加V-。

所述的空间电压矢量选择方式采用下表1表示：

表1空间电压矢量表

其中，V₁～V₅表示扇区对应的各电压矢量，Ⅰ～Ⅵ表示转子电角度所在的各扇区，各扇区位置及其名称序号对于本领域技术人员均是固定的。当转子处于第Ⅰ扇区时，增大电磁转矩要施加空间电压矢量V₅，即导通两相就是产生空间电压矢量V₅的两相，其余扇区均按照表1所示来确定增大电磁转矩所要施加的空间电压矢量。

上表1中的空间电压矢量均是通过以下表2表示的导通方式导通相邻的两相来实现：

表2电压空间矢量对应导通相

其中，A～F相分别表示直流无刷电机的六相，O表示导通，X表示断开。如果要生成空间电压矢量V₁，那么需要同时导通A相和B相，其余相断开。结合表2，当转子处于第Ⅲ扇区，此时增大电磁转矩要施加空间电压矢量V₁，也就是同时导通A相和B相，那么当转子处于第Ⅲ扇区时，导通两相就是A相和B相，按照前述实际电磁转矩与参考转矩滞环的关系来确定A相、B相各时刻的开关状态，即导通或者断开，而C相、D相、E相和F相则始终保持断开。

所述参考转矩滞环中的参考转矩为额定转矩的一半。

所述的实际电磁转矩T_emx通过以下公式计算得到：

$\left(\begin{array}{cc}{T}_{emx}=\frac{P_{emx}}{{\omega }_m}=\frac{e_x{i}_x}{{\omega }_m}& x=a,b,c......\end{array}\right)$

其中，e_x、i_x分别为相电流和相反电势，ω_m为机械角速度，P_emx为相电磁功率，T_emx为一相的电磁转矩。

如图1所示，单边矩阵变换器每相包括6个开关单元，在任一时刻，通过控制各个开关的门信号，可向电机绕组施加任意的线电压：U_AB,U_AC,U_BC,U_CB,U_CA,U_BA。其中最大正电压为V+，最大负电压为V-。

本发明采用的方式为采用两两导通模式，控制磁链轨迹为六边形(由于未导通相的反电势，磁链会自动趋于圆形)，需要增大转矩时，施加相应有效电压空间矢量，需要减小转矩时，施加零电压空间矢量。有效电压矢量可通过对相应的两相施加V+，其余相施加V-得到，零电压空间矢量则是对所有相施加V-得到。

采用单边矩阵变换器驱动时，每一相都是相互独立的，因此可以进行进一步简化，即单独对每一相进行控制。由于采用两两导通模式，因此每一相输出的转矩为总的额定转矩的一半，所以每一相的参考转矩就设定为总的额定转矩的一半，而同时导通的两相则是通过空间电压矢量选择方式来确定。

本发明的有益效果是：

本发明方法可以直接对转矩进行控制，实现了转矩的实时控制，转矩波动小且响应快，而相电流也会自动跟随反电势的正的平顶波；只需要一个转矩环即可，且每一相分开控制，相较电压源型逆变器驱动的星形连接的直流无刷电机，非常易于实现且计算量很小。

附图说明

图1是单边矩阵变换器一相电机驱动结构。

图2是直接转矩控制系统结构图。

图3是六相直流无刷电机相量图及扇区划分。

图4是三相电源及其区间划分。

图5是电流滞环控制的转矩仿真波形。

图6是直接转矩控制的转矩仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明实施例及其工作原理过程如下：

由于单边矩阵变换器只能提供单向电流，所以无法利用负的反电势来产生转矩。要实现两两导通，就必须满足同一时刻有两相的反电势为正。选取一台六相无刷直流电机及其控制系统进行说明。控制系统由速度控制器，转矩环控制器，电压等级选择器，开关信号生成器和功率板组成。

图3为三相电源，按照三相电压幅值可以将其分为6个区间，在每个区间内，最大的正电压V+和最小的负电压V-均保持不变。各相的电压大小由电压传感器测得。比如现在在第1区间，则V+是V_CB，V-是V_BC，具体每个区间内的V+和V-见表3。

表3各区间的V+和V-

六相电机的相量图如图4所示，整个空间被划分为六个扇区，且定义了六个有效空间矢量。为控制磁链轨迹为六边形，按表1方式施加电压空间矢量即可。

电压空间矢量V₁，V₂，V₃，V₄，V₅，V₆分别通过同时导通AB相，BC相，CD相，DE相，EF相，FA相得到。进而就可以得到每一相的电压在各个区间内的电压表，也就是系统框图中的开关表，如表2所示。

速度控制器通过速度传感器获得电机的转速反馈值，与设定转速的差经过PI环节获得总的额定转矩，然后总的额定转矩的一半即为导通相的转矩参考值，以此参考值为中心设置一个转矩环。相电流通过电流传感器测得，通过编码器获得转子电角度并判断出扇区，然后查表得到相反电势，由(1)计算每一相的输出转矩，若在此扇区内此相应该导通，则对此相进行调制，否则始终对其施加V-。调制过程为当输出转矩小于转矩环下限，为此相施加V+，当输出转矩大于转矩环上限，为此相施加V-。

从图5、图6是2000rpm电机参考转矩为10N·m时的仿真波形，可以发现电流滞环控制的转矩波动的峰峰值约为1N·m，而直接转矩控制的转矩波动峰峰值只有0.3N·m左右，体现了直接转矩控制方法优良的性能。

由此，本发明直接对电机转矩进行控制，每一相分开控制，利用电源最大正、负线电压作为电机相电压，获得良好的转矩特性，整个计算量很小，无需复杂的坐标变换，对处理器要求不高，极易实现。