[发明专利]基于新型脉宽调制的五相永磁容错电机直接转矩控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及五相永磁电机控制技术，具体是一种用于五相永磁容错电机的零序电压谐波注入式脉宽调制的(无位置传感器)直接转矩控制(ZVI-CPWMDTC)方法，适用于永磁无刷电机高性能伺服控制领域。

背景技术

直接转矩控制(DTC)是继矢量控制之后发展起来的新一代高性能控制策略，具有动态响应好、结构简单、鲁棒性强以及无需转子信息和旋转坐标变换等优点，因而得到了广泛的关注，并取得了一定的成果。

传统DTC中，采用转矩和磁链的滞环控制器，通过预先制定的离线开关表进行控制，但是存在转矩和磁链脉动较大、逆变器开关频率不恒定等问题，尤其在用于驱动五相永磁电机时，相电流含有较高的三次谐波，电流畸变率过大。针对上述传统DTC存在的弊端，国内外学者已经做过大量研究并采取了一些措施。

Martins和Roboam等人于2002年在论文《SwitchingfrequencyimpositionandripplereductioninDTCdrivesbyusingamultilevelconverter》中引入多电平逆变器来增加可选电压空间矢量的数目，以期获得转矩和磁链的精确控制，从而达到减小转矩脉动的目的，但此方法导致开关器件数量增加，使得系统硬件成本上升，且增加了系统复杂性。Mathapati和Bocker于2013年在论文《AnalyticalandofflineapproachtoselectoptimalhysteresisbandsofDTCforPMSM》中通过离线分析三相电机相电流最小的谐波畸变，以此制定最优的滞环环宽以达到逆变器开关频率恒定的效果，但该方法只是近似达到开关频率恒定的效果，并不是真正意义上基于开关频率恒定的DTC，此外，五相永磁电机的空间谐波含量很高，因而该方法在此并不适用。

以上方法都属于离线控制策略，无法根据实际情况的变化发出最合适的控制信号，于飞和张晓峰等人于2008年在论文《ThedirecttorquecontrolofmultiphasepermanentmagnetsynchronousmotorbasedonlowharmonicspacevectorPWM》中提出一种利用空间电压矢量调制技术(SVPWM)的直接转矩控制(SVM-DTC)策略，用来获得更多连续变化的电压空间矢量，实现对磁链、转矩更准确的控制。虽然SVM-DTC可保证逆变器开关频率的恒定，也降低了转矩和磁链的脉动以及相电流的三次谐波含量，但是目前SVM-DTC的实现，都采用矢量控制中SVPWM技术进行发波，也导致一些弊端的存在。一方面，由于每一次发波都要进行扇区的判断和矢量作用时间的计算，因此在数字控制器中实现起来比较繁琐且耗费控制器资源，这与DTC运算方便和简洁的初衷是相悖的；另一方面，由于要进行电压矢量夹角的三角函数计算和无理数的运算，会因为三角函数的运算而带来计算误差。

刘国海和谢莹等人于2015年在论文《基于载波的五相永磁容错电机SVPWM算法》中针对五相永磁电机提出了一种等效的SVPWM算法——零序电压谐波注入式脉宽调制(ZVI-CPWM)策略，为设计多相电机的等效空间矢量调制的直接转矩控制系统提供了参考。

同时，无位置传感器控制技术也是电机控制领域的研究热点，针对永磁同步电机的无位置传感器控制方法通常有：模型参考自适应、滑模观测器、高频注入法、基于电机反电势的估算法、扩展卡尔曼滤波器等方法。以上方法都需要额外的控制算法进行转速或者转子位置角的估测，使得数字控制器中无位置传感器的实现更为复杂。而直接转矩控制系统，本身就是一种天然的无位置传感器算法，将其运用在异步电机中可直接实现无位置传感器的运行，但是在永磁同步电机驱动系统中，启动前必须知道电机的初始位置，单纯利用直接转矩控制还无法实现永磁同步电机的无位置运行，所以急需一种简易的适合于永磁同步电机直接转矩控制系统下的无位置传感器运行策略。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于五相永磁容错电机(FT-PMM)且更加简易的等效空间矢量调制的(无位置传感器)直接转矩控制策略，用以解决五相永磁容错电机系统中采用传统DTC存在的转矩和磁链脉动较大、相电流三次谐波含量较高，采用SVPWM技术的SVM-DTC推导及实现起来较为复杂，以及目前无位置传感器技术实现较为复杂的问题。