基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器直接转矩控制系统

技术领域

本发明涉及一种同步磁阻电机控制系统，具体涉及一种基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器直接转矩控制系统。

背景技术

近年来，随着稀土价格的不断上涨，转子带磁钢的永磁同步电机的制造成本也在不断增加，而同步磁阻电机(SynRM)因具有转子无永磁体而成本较低，且效率介于异步电机和永磁同步电机之间的优势，已被视为一种替代永磁同步电机和异步电机的理想电机，而寻找一种适合同步磁阻电机无传感器控制的方法也成为了目前研究的特点。

目前，国内外学者对此已进行了部分研究，如文献1(专利号:201610881133.3)，公开了一种同步磁阻电机启动控制方法、装置及控制器，根据电机的参数生成直轴电流时间函数和交轴电流时间函数，电流时间函数中直轴电流与启动时间负相关，通过在同步磁阻电机启动时，分别向直轴和交轴注入较大实时直轴电流和较大实时交轴电流，提高了电机带载启动能力和启动响应速度，改善了电机启动性能，使得同步磁阻电机能够迅速启动。但是因为注入的电流较大，在启动过程存在较大的噪声，实际应用时会受到限制。文献2(专利号:201710465148.6)阐述了一种基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统，设计了一个转矩限幅自适应控制器，转矩的限制幅度能够随着电机参数变化自动进行调节，从而能实时精确的对从PI模块输出的给定电磁转矩进行限幅，避免了因对从PI模块输出的给定电磁转矩限幅失败而造成控制系统失控的发生，从而提高了系统的稳定性和控制精度。但是，该文献对定子磁链的观测采用了电压-电流观测模型，由于该模型使用了纯积分环节，微小的直流偏置都将最终导致积分饱和，造成磁链观测的幅值、相位偏差，进而引发转矩观测偏差，所以采用该方法的系统存在启动力矩不大，带载能力弱等问题。

因此，需要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高效的基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器直接转矩控制系统。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器直接转矩控制系统，包括第一减法器、第一PI模块、第二减法器、第一加法器、转矩滞环模块、第三减法器、开关表模块、磁链滞环模块、第二加法器、整流/逆变器模块、定子电压矢量计算模块、定子磁链和转速估算模块、基于有功功率计算的电机实际转矩计算和角度补偿模块、基于无功功率计算的磁链给定幅值补偿模块、定子电流矢量变换模块和同步磁阻电机；其特征在于：所述同步磁阻电机输出两相实际电流i_a和i_b到定子电流矢量变换模块；

定子电流矢量变换模块根据输入的两相实际电流i_a和i_b，经运算得出静止两相坐标系下的电流分量i_α和i_β，并将静止两相坐标系下的电流分量i_α和i_β分别输出到定子磁链和转速估算模块、基于有功功率计算的电机实际转矩计算和角度补偿模块和基于无功功率计算的磁链给定幅值补偿模块；

定子电压矢量计算模块根据开关表模块输出的开关管状态信息S_a、S_b、S_c和整流/逆变器模块输出的直流母线电压值u_dc，经运算得出静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β，并将静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β输出到定子磁链和转速估算模块、基于有功功率计算的电机实际转矩计算和角度补偿模块和基于无功功率计算的磁链给定幅值补偿模块；

定子磁链和转速估算模块根据输入的静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β和静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β，经运算得出定子电压矢量角θ、定子磁链ψ_s和估算速度n_e，并将定子电压矢量角θ输出到第二加法器，将定子磁链ψ_s输出到第三减法器，将估算速度n_e输出到第一减法器和基于有功功率计算的电机实际转矩计算和角度补偿模块；

基于有功功率计算的电机实际转矩计算和角度补偿模块根据输入的静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β、静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β和估算速度n_e，经运算得出定子电压矢量角补偿值Δθ和电机实际转矩T_e，并将定子电压矢量角补偿值Δθ输出到第二加法器(9)，将电机实际转矩T_e输出到第二减法器；

基于无功功率计算的磁链给定幅值补偿模块根据输入的静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β和静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β，经运算得出定子磁链的补偿值Δψ_s，并将定子磁链的补偿值Δψ_s输出到第一加法器；

上位系统输出给定速度n_ref到第一减法器；

第一减法器根据输入的给定速度n_ref和估算速度n_e，经运算得出速度差值Δn，并将速度差值Δn输出到第一PI模块；

第一PI模块根据输入的速度差值Δn，经运算得出给定电磁转矩T_ref，并将给定电磁转矩T_ref输出到第二减法器；

第二减法器根据输入的给定电磁转矩T_ref和实际转矩T_e，经运算得出转矩差值ΔT，并将转矩差值ΔT输出到转矩滞环模块；

转矩滞环模块根据输入的转矩差值ΔT，经运算得出转矩控制信号ST，并将转矩控制信号ST输出到开关表模块；

上位系统输出定子的给定磁链ψ_ref到第一加法器；

第一加法器根据输入的定子的给定磁链ψ_ref和定子磁链的补偿值Δψ_s，经运算得出新的定子磁链给定值ψ_ref1，并将新的定子磁链给定值ψ_ref1输出到第三减法器；

第三减法器根据输入的新的定子磁链给定值ψ_ref1和定子磁链ψ_s，经运算得出磁链差值Δψ，并将磁链差值Δψ输出到磁链滞环模块；

磁链滞环模块根据输入的磁链差值Δψ，经运算得出磁链控制信号SF，并将磁链控制信号SF输出到开关表模块；

第二加法器根据输入的定子电压矢量角θ和定子电矢量压角补偿值Δθ，经运算得出新的定子电压位置角θ₁，并将新的定子电压位置角θ₁输入到开关表模块；

开关表模块根据输入的转矩控制信号ST、磁链控制信号SF和新的定子电压位置角θ₁，经运算得出各开关管状态信息S_a、S_b、S_c，并将各开关管状态信息S_a、S_b、S_c分别输出到整流/逆变器模块和定子电压矢量计算模块；

整流/逆变器模块根据输入的各开关管状态信息S_a、S_b、S_c，经运算得出直流母线电压值u_dc和静止三相电流i_a、i_b、i_c，并将直流母线电压值u_dc输出到定子电压矢量计算模块；将静止三相电流i_a、i_b、i_c输出到同步磁阻电机，驱动同步磁阻电机运行。

作为对本发明基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器直接转矩控制系统的改进：所述基于有功功率计算的电机实际转矩计算和角度补偿模块包括有功功率计算模块、低通滤波器模块、第四减法器、第二PI模块和电机实际转矩计算模块；

定子磁链和转速估算模块输出估算速度n_e到电机实际转矩计算模块；定子电压矢量计算模块输出静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β到有功功率计算模块；定子电流矢量变换模块输出静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β到有功功率计算模块；

有功功率计算模块根据输入的静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β和静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β，经运算得出有功功率P_p，并分别输出有功功率P_p到低通滤波器模块、第四减法器和电机实际转矩计算模块；

低通滤波器模块根据输入的有功功率P_p，经滤波得到滤波后有功功率P_p1，并将滤波后有功功率P_p1输出到第四减法器；

第四减法器根据有功功率P_p和滤波后有功功率P_p1，经运算得出误差值e_p，并将误差值e_p输出到第二PI模块；

第二PI模块根据输入的误差值e_p，经运算得出定子电矢量压角补偿值Δθ，并将定子电矢量压角补偿值Δθ输出到第二加法器；

电机实际转矩计算模块根据输入的估算速度n_e和有功功率P_p，经运算得出实际转矩T_e，并将实际转矩T_e输出到第二减法器；

所述有功功率计算模块中有功功率P_p的计算方法如下：

静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β和静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β分别可以合成为电压矢量e和电流矢量i：

式中，e、i分别为电压矢量e、电流矢量i的模，分别为电压矢量e、电流矢量i的幅角；

有功电流i_p为电流矢量i在电压矢量e上的投影；即

是电压矢量e和电流矢量i的幅角差值，将代入式(四)可得：

有功功率P_p为电压矢量e的模e和有功电流i_p的乘积；即

P_p＝e·i_p>

将式(四)代入式(五)中，得出：

作为对本发明基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器直接转矩控制系统的进一步改进：所述基于无功功率计算的磁链给定幅值补偿模块包括无功功率计算模块、加法器和第三PI模块；

定子电压矢量计算模块输出静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β到无功功率计算模块；定子电流矢量变换模块输出静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β到无功功率计算模块；

无功功率计算模块根据输入的静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β和静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β，经运算得出无功功率P_q，并输出无功功率P_q到加法器；

上位系统输出功率因数χ到加法器；

加法器根据输入的无功功率P_q和功率因数χ，经运算得出误差值e_q，并将误差值e_q输出到第三PI模块；

第三PI模块根据输入的误差值e_q，经运算得出给定磁链的补偿值并将给定磁链的补偿值输出到第一加法器；

所述无功功率计算模块中无功功率P_q的计算方法如下：

静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β和静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β分别可以合成为电压矢量e和电流矢量i：

式中，e、i分别为电压矢量e、电流矢量i的模，分别为电压矢量e、电流矢量i的幅角；

无功电流i_q为电流矢量i在电压矢量e法线上的投影；即

将代入式(3)可得：

无功功率P_q为电压矢量e的模e和无功电流i_q的乘积；即

P_q＝e·i_q>

将式(4)代入式(5)中，得出：

本发明基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器直接转矩控制系统的技术优势为：

本发明提出了一种基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器直接转矩控制系统，实现电机的无传感器控制，采用无功功率计算输出值补偿磁链定子磁链和有功功率计算输出值补偿定子磁链角度的方法，来提高系统的出力能力。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器直接转矩控制系统的原理框图；

图2为图1中基于有功功率计算的角度补偿模块8的原理框图；

图3为图1中基于无功功率计算的定子磁链幅值补偿模块7的原理框图；

图4为静止坐标系下的电压和电流的空间矢量图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器直接转矩控制系统，如图1‐4所示，包括第一减法器1、第一PI模块2、第二减法器3、第一加法器4、转矩滞环模块5、第三减法器6、开关表模块7、磁链滞环模块8、第二加法器9、整流/逆变器模块10、定子电压矢量计算模块11、定子磁链和转速估算模块12、基于有功功率计算的电机实际转矩计算和角度补偿模块13、基于无功功率计算的磁链给定幅值补偿模块14、定子电流矢量变换模块15和同步磁阻电机16；

本发明的信号连接关系如下：

同步磁阻电机16输出两相实际电流i_a和i_b到定子电流矢量变换模块15；定子电流矢量变换模块15根据输入的两相实际电流i_a和i_b，经运算得出静止两相坐标系下的电流分量i_α和i_β，并将静止两相坐标系下的电流分量i_α和i_β分别输出到定子磁链和转速估算模块12、基于有功功率计算的电机实际转矩计算和角度补偿模块13和基于无功功率计算的磁链给定幅值补偿模块14；定子电压矢量计算模块11根据开关表模块7输出的开关管状态信息S_a、S_b、S_c和整流/逆变器模块10输出的直流母线电压值u_dc，经运算得出静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β，并将静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β输出到定子磁链和转速估算模块12、基于有功功率计算的电机实际转矩计算和角度补偿模块13和基于无功功率计算的磁链给定幅值补偿模块14；定子电压矢量计算模块11根据输入的开关管状态信息S_a、S_b、S_c和直流母线电压值u_dc，经运算得出静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β，并将静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β输入到定子磁链和转速估算模块12、基于有功功率计算的电机实际转矩计算和角度补偿模块13和基于无功功率计算的磁链给定幅值补偿模块14；定子磁链和转速估算模块12根据输入的静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β和电流分量i_α、i_β，经运算得出定子电压矢量角θ、定子磁链ψ_s和估算速度n_e，并将定子定子电压矢量角θ输出到第二加法器9，将定子磁链ψ_s输出到第三减法器6，将估算速度n_e输出到第一减法器1和基于有功功率计算的电机实际转矩计算和角度补偿模块13；基于有功功率计算的电机实际转矩计算和角度补偿模块13根据输入的静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β，定子电流矢量变换模块15输出的电流分量i_α、i_β和估算速度n_e，经运算得出定子电压矢量角补偿值Δθ和电机实际转矩T_e，并将定子电压矢量角补偿值Δθ输出到第二加法器9，将电机实际转矩T_e输出到第二减法器3；基于无功功率计算的磁链给定幅值补偿模块14根据输入的电压分量u_α，u_β和电流分量i_α、i_β，经运算输出定子磁链的补偿值Δψ_s，并将定子磁链的补偿值Δψ_s输出到第一加法器4；上位系统输出给定速度n_ref到第一减法器1；第一减法器1根据输入的给定速度n_ref和估算速度n_e，经运算得出速度差值Δn，并将速度差值Δn输出到第一PI模块2；第一PI模块(2)根据输入的速度差值Δn，经运算得出给定电磁转矩T_ref，并将给定电磁转矩T_ref输出到第二减法器3；第二减法器3根据输入的给定电磁转矩T_ref和实际转矩T_e，经运算得出转矩差值ΔT，并将转矩差值ΔT输出到转矩滞环模块5；转矩滞环模块5根据输入的转矩差值ΔT，经运算得出转矩控制信号ST，并将转矩控制信号ST输出到开关表模块7；上位系统输出定子的给定磁链ψ_ref到第一加法器4；第一加法器4根据输入的定子的给定磁链ψ_ref和定子磁链的补偿值Δψ_s，经运算得出新的定子磁链给定值ψ_ref1，并将新的定子磁链给定值ψ_ref1输出到第三减法器6；第三减法器6根据输入的新的定子磁链给定值ψ_ref1和定子磁链ψ_s，经运算得出磁链差值Δψ，并将磁链差值Δψ输出到磁链滞环模块8；磁链滞环模块8根据输入的磁链差值Δψ，经运算得出磁链控制信号SF，并将磁链控制信号SF输出到开关表模块7；第二加法器9根据输入的定子电压矢量角θ和定子电矢量压角补偿值Δθ，经运算得出新的定子电压位置角θ₁，并将新的定子电压位置角θ₁输入到开关表模块7；开关表模块7根据输入的转矩控制信号ST、磁链控制信号SF和新的定子电压位置角θ₁，经运算得出各开关管状态信息S_a、S_b、S_c，并将各开关管状态信息S_a、S_b、S_c分别输出到整流/逆变器模块10和定子电压矢量计算模块11；整流/逆变器模块10根据输入的各开关管状态信息S_a、S_b、S_c，经运算得出直流母线电压值u_dc和静止三相电流i_a、i_b、i_c，并将直流母线电压值u_dc输出到定子电压矢量计算模块11，将静止三相电流i_a、i_b、i_c输出到同步磁阻电机16，驱动同步磁阻电机16运行。

基于有功功率计算的电机实际转矩计算和角度补偿模块13包括有功功率计算模块17、低通滤波器模块18、第四减法器19、第二PI模块20和电机实际转矩计算模块21；

定子磁链和转速估算模块12输出估算速度n_e到电机实际转矩计算模块21；定子电压矢量计算模块11输出静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β到有功功率计算模块17；定子电流矢量变换模块15输出静止两相坐标系下的电流分量i_α和i_β到有功功率计算模块17；

有功功率计算模块17根据输入的静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β和静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β，计算得出有功功率P_p，并分别输出有功功率P_p到低通滤波器模块18、第四减法器19和电机实际转矩计算模块21；

有功功率计算模块17中有功功率P_p的计算方法如下：

定义同步磁阻电机16三相绕组的各相电压和电流值分别为e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c，将上述参数变换到定子静止两相坐标系α-β下，得到静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β和静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β；各参量的关系如图4所示。

静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β和静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β分别可以合成为电压矢量e和电流矢量i：

式中，e、i分别为电压矢量e、电流矢量i的模，分别为电压矢量e、电流矢量i的幅角；

有功电流i_p为电流矢量i在电压矢量e上的投影；即

将代入式(四)可得：

有功功率P_p为电压矢量e的模e和有功电流i_p的乘积；即

P_p＝e·i_p>

将式(四)代入式(五)中，得出：

低通滤波器模块18根据输入的有功功率P_p，经滤波得到滤波后有功功率P_p1，并将滤波后有功功率P_p1输出到第四减法器19；

第四减法器19根据有功功率P_p和滤波后有功功率P_p1，经运算得出误差值e_p，并将误差值e_p输入到第二PI模块20；

第二PI模块20根据输入的误差值e_p，经运算得出定子电矢量压角补偿值Δθ，并将定子电矢量压角补偿值Δθ输入到第二加法器9。

电机实际转矩计算模块21根据输入的估算速度n_e和有功功率P_p，经运算得出实际转矩T_e，并将实际转矩T_e输入到第二减法器3。

基于无功功率计算的磁链给定幅值补偿模块14包括无功功率计算模块22、加法器23和第三PI模块24；

定子电压矢量计算模块11输出静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β到无功功率计算模块22；定子电流矢量变换模块15输出静止两相坐标系下的电流分量i_α和i_β到无功功率计算模块22；

无功功率计算模块22根据输入的静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β和静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β，计算得出无功功率P_q，并输出无功功率P_q到加法器23；

上位系统输出功率因数到加法器23，功率因数χ是一个与定义同步磁阻电机16参数有关的量，可以通过实验或经验值获得；

加法器23根据输入的无功功率P_q和功率因数χ，经运算得出误差值e_q，并将误差值e_q输入到第三PI模块24；

第三PI模块24根据输入的误差值e_q，经运算得出给定磁链的补偿值并将给定磁链的补偿值输出到第一加法器4。

无功功率计算模块22计算无功功率P_q的方法为：

定义同步磁阻电机16三相绕组的各相电压和电流值分别为e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c，将上述参数变换到定子静止两相坐标系α-β下，得到静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β和静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β；各参量的关系如图4所示。

静止两相坐标系下的电压分量e_α、e_β和静止两相坐标系下的电流分量i_α、i_β分别可以合成为电压矢量e和电流矢量i：

式中，e、i分别为电压矢量e、电流矢量i的模，分别为电压矢量e、电流矢量i的幅角；

无功电流i_q为电流矢量i在电压矢量e法线上的投影；即

将代入式(3)可得：

无功功率P_q为电压矢量e的模e和无功电流i_q的乘积；即

P_q＝e·i_q>

将式(4)代入式(5)中，得出：

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。