異步電機直接轉矩控制系統起動方法的研究

武德祥,張愛玲,許連丙,王建華

(太原理工大學電氣與動力工程學院,太原030024)

直接轉矩控制(Direct Torque Control簡稱DTC),是20世紀80年代首先由德國學者提出,其主要原理是根據磁鏈和轉矩的狀態選擇電壓空間矢量,進而決定逆變器的開關狀態,把磁鏈和轉矩控制在一定容差范圍內,達到對磁鏈和轉矩的直接控制。直接轉矩控制一經提出,很快因其簡單的控制思想、簡潔的系統結構、快速的轉矩響應得以快速發展[1,2]。

從直接轉矩控制技術問世以來,人們的大量研究集中于其低速性能的改進,對起動方法的研究相對較少,文獻[4]提出了三種起動方法,分別是串行、并行、混合起動。但三種方法起動電流均較大,必須插入零矢量將起動電流限制在允許的范圍之內,從而使系統編程復雜。筆者提出兩種簡單、有效的起動方法,其中磁鏈優先法除了可以限制起動電流,減小起動時間外還可以改善系統的穩態性能,減小磁鏈和轉矩脈動;斜坡函數法通過改變速度給定的斜率來調節系統的起動時間和控制起動電流。實驗結果表明,磁鏈優先法起動電流小,起動時間短;斜坡函數法可根據負載的需要調節起動時間并有效限制起動電流。兩種方法在系統實現時均無需增加系統的復雜程度。

1 直接轉矩控制的基本原理

感應電機的磁鏈和轉矩公式：

式中：us,is,Rs分別為定子電壓、定子電流、定子電阻;Ψs,Ψr分別為定子、轉子磁鏈;θ為定子磁鏈與轉子磁鏈的夾角;pn為電機極對數;Ls,Lr,Lm為定、轉子自感及互感。

由式(1)、(2)可知,保持定子磁鏈幅值近似不變,控制定子繞組的電壓空間矢量u s來控制定子繞組磁鏈 Ψs的旋轉速度,就可以改變定轉子磁鏈夾角θ的大小,達到控制轉矩的目的。

圖1 直接轉矩控制結構框圖

圖1為基于開關表的傳統直接轉矩控制的結構框圖,從圖中可以看出,在直接轉矩控制系統中,首先需要計算定子磁鏈及其所在的扇區以及電磁轉矩,然后把定子磁鏈和電磁轉矩分別與它們的給定值進行比較,再把偏差與各自的滯環相比較,根據滯環比較器的輸出和此時磁鏈所在的扇區確定當前輸出的電壓矢量開關狀態,從而控制電機。

空間矢量的選擇方法如表1所示,表中CΨ,CT為滯環比較器的輸出,其值為0時代表給定值小于反饋值,需要減小轉矩(或磁鏈),為1時代表給定值大于反饋值,需要增大轉矩(或磁鏈)。例如 Ψs在Ⅰ扇區,假定磁鏈逆時針旋轉,如圖2,當 Ψs需要增大,轉矩也需要增大,則選擇電壓矢量V2。

圖2 電壓空間矢量

表1 直接轉矩控制電壓矢量選取

需要說明的是,在表1中,當需要減小轉矩時,都選擇了零矢量,而沒有考慮磁鏈調節器的輸出。原因在于：

1)磁鏈本身的波動很小,一兩拍內不控不會對磁鏈的軌跡造成多大影響。

2)如果選擇滯后矢量,雖然兼顧到磁鏈的控制,但對于轉矩來說,施加的結果造成轉矩波動大,從而使電流和轉速的波動大,影響了系統的穩態性能。所以,一般情況下,應優先考慮轉矩[5]。

2 起動方法研究

對電機起動性能得要求是起動轉矩大,起動電流小,對動態性能要求高的負載還要求起動時間短,超調小。根據對磁鏈、轉矩控制方案的不同,起動方法也不同。針對不同的負載性質提出磁鏈優先和斜坡函數起動兩種方法,并和串行[2]起動進行對比。

2.1 磁鏈優先法

在直接轉矩控制系統中,一般情況下應優先考慮轉矩。但是,在磁場尚未建立或者磁鏈偏離給定值過大時,就不能優先考慮轉矩了。因此在起動時,不考慮轉矩控制,首先使磁場建立起來即磁鏈優先。

筆者采用的方法是,當磁鏈比給定值小很多時,采用與磁鏈(位于k扇區)處于同一扇區的電壓矢量(V k),使磁鏈快速增加;當磁鏈比給定值大很多時,采用與磁鏈間隔兩個扇區的矢量(Vk+3),使磁鏈快速減小。這樣,系統運行時有兩張開關表,一張是轉矩優先開關表,如表1;另一張是磁鏈優先開關表,如表2。起動時磁鏈為零,選擇磁鏈優先開關表建立磁鏈。當磁鏈滿足條件時,再優先考慮轉矩。

表2 磁鏈優先控制電壓矢量選取

2.2 斜坡函數法

斜坡函數法是用斜坡函數來產生轉速給定值,斜率可根據負載需要調節。與轉速給定為階躍函數的情況相比,由斜坡函數給定的轉速與實際轉速的偏差始終較小,根據開關表所選擇的電壓矢量不會使系統過流。

2.3 串行起動法[4]

這種方法是把起動過程分為兩個步驟,首先調節磁鏈,使其幅值在最短時間內達到參考值,然后再調節轉矩。在起動初始時刻,選擇電壓矢量 V1(100),此時磁鏈矢量與V1同向,幅角為零,幅值增加速率最大,直到磁鏈達到額定值。這期間相當于直流電壓作用于電機的定子繞組上,為了限制起動電流,需要加入零矢量。實現的方法是檢測定子電流將其和給定值比較,若超過給定值則施加零矢量。這個過程中磁鏈幅角一直為零,所以轉矩為零。待磁鏈達到給定值后,使磁鏈以最大速度轉動,轉矩快速達到設定值。轉矩調節電壓矢量選擇如表3所示。綜上所述,該方法需要專門編制一段程序來解決起動問題。

表3 串行起動法轉矩調節開關表

3 實驗結果及分析

在基于TMS320LF2407 DSP的變頻調速實驗平臺上對上述三種起動方法進行了對比。實驗系統由數字信號處理器(DSP),整流模塊,智能功率模塊(IPM),光電編碼器,霍爾電流傳感器,CAN/USB通訊模塊等組成,它勵直流發電機作為負載。逆變器采用了日本三菱公司的PM25RSB120IPM智能功率模塊。試驗結果如圖3所示。實驗時給定定子磁鏈0.99 Wb,給定轉速1 000 r/min。直流發電機帶電阻負載起動,由直流發電機原理可知,轉速上升過程中電磁轉矩是變化的。實驗數據通過CAN/USB接口傳到上位機。

圖3-a,3-b,3-c分別表示上述三種起動方法起動過程中定子磁鏈幅值、定子電流、轉速隨時間變化的波形。由圖3-a可見,從磁鏈建立所需的時間來看,磁鏈優先法最短,其次是串行法。從起動過程中定子電流的大小來看,斜坡函數法最小,串行起動法在t小于0.01 s時的電流呈鋸齒狀脈動是由于加入零矢量限流形成的。從起動時間的長短來看,從圖3-c可見,串行起動所用時間最短,但斜坡函數法起動過程最為平穩。

圖3 磁鏈優先、斜坡函數、串行起動方法實驗結果

4 結論

對比三種起動方法的分析及實驗結果可知,磁鏈優先方法適用于對起動的快速性有較高要求的負載,系統實現時,可以將表1和2兩張開關表結合起來使用,當磁鏈小于某一給定數值時,用磁鏈優先的開關表,反之轉矩優先。該方法無需專門考慮起動問題,使系統簡潔明了,且理論和實驗都表明該方法還可以有效減小穩態運行時磁鏈和轉矩的脈動。斜坡函數法適用于不要求起動的快速性但要求起動電流小和起動過程平穩的場合。

[1] James N Nash.Direct Torque Control,Inductioon Motor Vector Control Without an Encoder[J].IEEE Transaction On In A,1998,33(2)：411-418.

[2] Isao Takahashi,Toshihiko Noguchi.A New Quick-resp onse and high-efficiency control strategy of an induction motor[J].IEEE Transaction On In A,1986,22(5)：227-237.

[3] Zolghadri R,Diallo D,Roye D.Start up strategies for a direct torque controlled synchronous machine[J].Proceeding European Conference on Power Electronics,1977,9(3)：689-693.

[4] 孫笑輝,韓曾晉.異步電動機直接轉矩控制起動方法仿真研究[J].電氣傳動,2000,30(2)：13-17.

[5] 李永東.交流電機數字控制系統[M].北京：機械工業出版社,2002.

[6] 陳伯時.電力拖動自動控制系統：運動控制系統[M].北京：機械工業出版社,2003.

[7] 李夙.異步電動機直接轉矩控制[M].北京：機械工業出版社,1999.