異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制磁鏈區(qū)間細(xì)分方法

王英，常慧娟

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

直接轉(zhuǎn)矩控制用空間矢量分析的方法，在二相靜止坐標(biāo)系下計算并控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，借助磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)產(chǎn)生逆變器開關(guān)信號，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能，解決了控制系統(tǒng)特性易受電機參數(shù)變化影響的問題［1-3］.在傳統(tǒng)6扇區(qū)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，低速時由于考慮定子電阻壓降的影響，實現(xiàn)磁鏈位置角的精確計算比較困難，如果在一個扇區(qū)內(nèi)選用一個電壓矢量來同時實現(xiàn)定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩的增加或減小，會導(dǎo)致磁鏈軌跡畸變，在扇區(qū)分界線附近尤為明顯，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能［4］.文獻(xiàn)［5-6］采用常規(guī)的12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法，將6扇區(qū)的每個扇區(qū)平分為兩個扇區(qū)，雖然改善了傳統(tǒng)6扇區(qū)控制方法的磁鏈內(nèi)陷問題，提高了響應(yīng)速度，但并沒有完全解決由于磁鏈觀測不精確而選擇容易錯誤的空間電壓矢量的問題.本文分析研究了改進(jìn)12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法和常規(guī)12扇區(qū)細(xì)分方法，建立了Matlab環(huán)境下兩種磁鏈細(xì)分方法的DTC系統(tǒng)仿真模型，理論分析和仿真試驗表明，改進(jìn)的12區(qū)間磁鏈控制方法在磁鏈觀測不夠精確的情況下能表現(xiàn)出更好的控制性能，磁鏈幅值能始終保持在容差范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩脈動較常規(guī)12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法有明顯減小.

1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理

電機電磁轉(zhuǎn)矩也就是定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈相互作用的結(jié)果，可寫成如下形式:

由上式可以看出，電機轉(zhuǎn)矩與定子、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值及磁通角有關(guān).實際運行中，為了充分利用鐵心，通常保持定子磁鏈幅值為恒定值，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定.因此，通過改變磁通角的大小就可以改變電磁轉(zhuǎn)矩.由于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)變化較定子緩慢，通過控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度即可改變磁通角的大小，電機的定子磁鏈和定子電壓存在積分關(guān)系，因此可以選擇合適的電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變磁通角的大小，以達(dá)到控制電機轉(zhuǎn)矩的目的.

圖1為異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的原理圖，將電機檢測出的轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速比較，通過PID調(diào)節(jié)器生成目標(biāo)轉(zhuǎn)矩指令，檢測出的定子電壓及電流，通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器得出定子磁鏈觀測值和實際電磁轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)調(diào)節(jié)，根據(jù)定子磁鏈所在區(qū)域，不斷切換逆變器的開關(guān)狀態(tài)使定子磁鏈軌跡逼近于圓形，并通過零狀態(tài)電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來改變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電機的轉(zhuǎn)矩及其變化率，使異步電機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈能同時按要求變化.

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖

2 12扇區(qū)的磁鏈區(qū)間細(xì)分方法

2.1 常規(guī)的12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法

圖2為傳統(tǒng)6扇區(qū)磁鏈軌跡劃分圖，由圖可以看出，電壓空間矢量U3在扇區(qū)S2內(nèi)的作用是增加磁鏈幅值，增加轉(zhuǎn)矩，而在扇區(qū)S1內(nèi)的作用是減小磁鏈，增加轉(zhuǎn)矩，電壓空間矢量U3方向正好與S1和S2分界線垂直，因此在兩扇區(qū)分界即磁鏈位置角為π/6處，磁鏈位置估計上有一點誤差就會使系統(tǒng)選擇錯誤的電壓空間矢量.例如由磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出信號判斷需要減小磁鏈，磁鏈實際運行在扇區(qū)S2，但由于定子電阻的影響，在磁鏈觀測上有誤差，錯誤地認(rèn)為磁鏈運行在扇區(qū)S1，從而選擇了空間電壓矢量U3來減少磁鏈，但事實卻增加了磁鏈幅值，使磁鏈幅值更大，從而造成了磁鏈較大的脈動，使磁鏈軌跡在扇區(qū)分界線附近嚴(yán)重畸變.

由以上分析可知，采用6扇區(qū)的電壓矢量選擇表，在扇區(qū)分界線附近，對磁鏈的估計要求非常嚴(yán)格.而考慮定子電阻變化的影響，很難實現(xiàn)磁鏈位置的準(zhǔn)確觀測.

此外，一個扇區(qū)內(nèi)，定子電壓對定子磁鏈作用是不平衡的［7］，導(dǎo)致定子磁鏈軌跡在一個扇區(qū)內(nèi)并非均勻變化，在區(qū)段分界線附近尤為明顯.這將導(dǎo)致磁鏈軌跡不再接近圓形，從而引起電流畸變，系統(tǒng)性能變差.文獻(xiàn)［5-6］針對定子電壓對磁鏈作用不平衡這一問題，采用一種常規(guī)的12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法改進(jìn)了這一問題.

圖2 6扇區(qū)磁鏈軌跡劃分圖

圖3 常規(guī)12扇區(qū)磁鏈軌跡劃分圖

常規(guī)的12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法將原來的一個扇區(qū)平分為兩個扇區(qū)，以［0，π/6］為第一扇區(qū)，使每個扇區(qū)可供選擇的電壓矢量由原來的兩個變?yōu)榱怂膫€，用到了傳統(tǒng)6扇區(qū)劃分時無法用到的電壓矢量U1和U4，但它只是減小了在扇區(qū)分界線處選擇錯誤空間電壓矢量的概率，并沒有完全避免這種情況的發(fā)生.如圖3所示，在扇區(qū)S1，需要增大磁鏈，增大轉(zhuǎn)矩時，可選擇U1或U2，在扇區(qū)S2，同樣的情況可選擇U2，為了避免在這兩個扇區(qū)分界線處磁鏈觀測有誤差，則只能舍棄U1.在這兩個扇區(qū)里都選擇U2來增大磁鏈增大轉(zhuǎn)矩.而U2在S12內(nèi)的作用是減小磁鏈，增大轉(zhuǎn)矩，與在S1扇區(qū)內(nèi)對磁鏈的作用相反，這樣，如果在S1和S12的分界線處磁鏈區(qū)間判斷錯誤，就會選擇錯誤的空間電壓矢量，原本要增大磁鏈結(jié)果卻減小了磁鏈，造成磁鏈軌跡畸變.

2.2 改進(jìn)的12扇區(qū)的磁鏈細(xì)分方法及改進(jìn)的電壓空間矢量選擇表

改進(jìn)的磁鏈細(xì)分方法如圖4所示，圖中第1扇區(qū)為［－12/π，12/π］，由圖可以看出，改進(jìn)的扇區(qū)劃分避免了扇區(qū)分界線與電壓矢量垂直的情況，選擇電壓矢量時同樣也用到了電壓空間矢量U1和U4，避免了常規(guī)12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法在扇區(qū)分界線處因為擔(dān)心扇區(qū)判斷錯誤而不知道選擇哪個電壓矢量的困擾，解決了在扇區(qū)分界線處由于磁鏈位置判斷不夠精確而容易選擇錯誤的空間電壓矢量的問題.

圖4 改進(jìn)12扇區(qū)磁鏈軌跡劃分圖

根據(jù)改進(jìn)的磁鏈扇區(qū)劃分方法制定的空間電壓矢量選擇表如附表所示.

附表 優(yōu)化的12扇區(qū)空間電壓矢量選擇表

3 仿真試驗及結(jié)果

在MATLAB/Simulink下建立異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示，測得異步電動機定子電壓和電流，經(jīng)坐標(biāo)變換后送到磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器，系統(tǒng)中定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩由磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器得到，電動機實際轉(zhuǎn)速與給定信號進(jìn)行比較后加到PI調(diào)節(jié)器，由PI調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定信號.磁鏈區(qū)間判別單元將定子磁鏈分成12個扇區(qū)，再綜合磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出信號，運用空間電壓開關(guān)表和MATLAB函數(shù)選擇空間電壓矢量.通過改變模型中的MATLAB函數(shù)和設(shè)置不同的空間電壓矢量選擇表來分別對采用兩種方法的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析.

圖5 異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型

仿真所用異步電機參數(shù)為:額定頻率PN=3730 W，額定電壓UN=460 V，額定頻率fN=60 Hz，定子電阻 Rs=1.115 Ω，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=1.083 Ω，定子電感 Ls=0.005 974 H，轉(zhuǎn)子電感 Lr=0.005 974 H，互感 Lm=0.203 7 H，極對數(shù) np=2，轉(zhuǎn)動慣量 J=0.02 kg·m2，Ψ*=0.5 Wb，εΨ=0.1 Wb，εT=1 N·m.

仿真時，ω*r=200 rad/min，仿真時間為0.25 s，在0.1 s時，突加TL=5 N·m 的負(fù)載.

圖6為當(dāng)定子磁鏈相位角觀測誤差為 ±π/12時的兩種磁鏈細(xì)分方法的磁鏈軌跡和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線，從波形可以看出，采用常規(guī)的12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法在磁鏈相位角觀測有誤差的情況下，磁鏈軌跡在部分扇區(qū)分界線處有明顯畸變，此時表現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩響應(yīng)上，轉(zhuǎn)矩脈動明顯增大，最大轉(zhuǎn)矩脈動為12.5%.采用改進(jìn)的12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法體現(xiàn)了較大的優(yōu)勢，磁鏈幅值始終保持在容差范圍之內(nèi)，并不受磁鏈觀測精確度的影響，轉(zhuǎn)矩脈動較常規(guī)12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法有明顯減小，減小為6.25%.總之，采用改進(jìn)的12區(qū)間磁鏈細(xì)分方法具有更好控制性能.

圖6 磁鏈觀測有誤差時兩種磁鏈細(xì)分方法的磁鏈軌跡和轉(zhuǎn)矩特性

4 結(jié)論

本文分析比較了兩種磁鏈細(xì)分方法的優(yōu)缺點，并分別對采用此兩種方法的異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真.理論分析和仿真結(jié)果均表明，常規(guī)的12扇區(qū)細(xì)分方法控制有較快的動態(tài)響應(yīng)速度，但在磁鏈觀測不夠精確時磁鏈軌跡會發(fā)生畸變，轉(zhuǎn)矩脈動增大，改進(jìn)方法在任何情況下都能表現(xiàn)良好的性能.

［1］李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003:171-174.

［2］梅柏杉，陳暉.直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)性能改善的仿真研究［J］.電機與控制應(yīng)用，2009，36(2):33-35.

［3］ LASCU C，TRZYNADLOWSKIAM.Combining the principles of sliding mode，direct torque control and space vector modulation in a high performance sensorless AC drive［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2004，401，40(1):170-177.

［4］廖曉鐘，邵立偉.直接轉(zhuǎn)矩控制的12區(qū)段控制方法［J］.中國電機工程學(xué)報，2006，26(6):167-172.

［5］丁惜瀛，夏強等.直接轉(zhuǎn)矩控制磁鏈低頻脈動分析及抑制［J］.電氣技術(shù)，2008(9):46-50.

［6］郭嘉強，喻壽益.一種改進(jìn)異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)性能的方法［J］.電氣傳動，2008，38(9):18-21.

［7］廖曉鐘，馬克明，周樂芳.一種細(xì)分空間的PWM波形實時生成方法［J］.電氣傳動，2004(3):13-15.