異步電動機直接轉矩控制轉矩脈動的最小化研究

賀德華,劉國榮,韋婷華,徐美清,曹時德,周桂珍

(1.湘潭大學,湖南湘潭411105;2.湖南工程學院,湖南湘潭411101;3.南寧供電局,廣西南寧530031)

0 引 言

直接轉矩控制技術是一種新型的高性能異步電動機變頻調速技術[1],最先由德國和日本的科研人員提出異步電動機直接轉矩控制理論,它具有控制思路新穎、結構簡單、響應迅速等優點,但實際應用當中,它還有一系列難以解決的問題:主要表現為電動機在低速時性能差,電流和轉矩脈動比較大,這些問題的存在在很大程度上限制了直接轉矩控制技術的發展。本文主要針對直接轉矩控制技術中轉矩脈動大的問題,運用先進的算法來實現系統的智能控制,進一步優化系統,從而減小系統運行時的轉矩脈動。

傳統的直接轉矩控制是根據某個時刻的轉矩誤差eT和定子磁鏈誤差eψ的情況,選擇一個電壓空間矢量,使eT和eψ限制在一個設定的比較小的范圍內,這種控制模式具有響應快、結構和算法簡單等優點。但在目前的實際應用中,由于數字控制系統中的一個采樣周期內只有單一的電壓空間矢量作用,而且只有七個不連續的空間電壓矢量供控制系統選擇,不可避免地會使轉矩和磁鏈急劇的增加或減少。低速時受到定子電阻參數的影響脈動更加明顯,在數字化中實現更加突出。

本文根據傳統直接轉矩控制的缺陷,提出了磁鏈區間細分法[2]與模糊控制相結合的方法,即在十二區段中運用矢量合成控制法使非零有效電壓矢量增加到十二個電壓矢量,并運用模糊控制優化電壓矢量選擇,并且對新提出的方案進行了仿真。結果表明,直接轉矩控制新方案的性能得到比較明顯改善。

1 異步電動機轉矩脈動的分析

電動機的電磁轉矩等于定子磁鏈和轉子磁鏈的叉積,電動機的定子磁鏈幅值為一恒定值,而電動機的轉子磁鏈幅值是由電機負載大小情況所決定。因此,可以通過改變磁通角大小來實現對異步電動機的轉矩控制,即通過電壓矢量的交替變換來實現對定子磁鏈旋轉的角速度控制,同時由于轉子磁鏈的角速度不能突變,這樣通過控制定子磁鏈的角速度來實現對轉矩的控制。直接轉矩控制就是根據實時情況,選擇一個最佳的控制矢量或者零矢量,使電機運行在最佳狀態。

轉矩波動的上限與下限變化寬度與控制系統的采樣周期和電機的所加電壓矢量有關。如果提高系統的采樣周期,即提高功率開關元件的工作頻率,能減小電動機的轉矩脈動,但同時逆變器中的IGBT等一些功率元器件的開關損耗也會隨之增加,發熱也更厲害,也影響了系統的穩定運行。數字化控制系統中的采樣周期和系統控制周期一般是固定不變的,所以在數字控制系統中,一個周期內只有一個電壓矢量作用是造成電動機轉矩脈動大的主要原因。

在常用的電壓型逆變器中,系統只有一個零電壓矢量和相隔60°空間角度分布的六個非連續非零電壓矢量。而電動機的定子磁鏈是電壓的積分,因此磁鏈角變化是連續不斷的。由于電壓的斷續和磁鏈角連續造成了劇烈的磁通角變化,磁通角的劇烈變化是造成了直接轉矩控制中轉矩脈動的一個重要原因。

2 傳統開關表的缺陷

傳統直接轉矩控制系統中采用兩點式滯環比較器作為磁鏈控制器,用三點式滯環比較器作為轉矩控制器,系統可以選擇的電壓矢量為七個電壓矢量。其逆變器的電壓開關狀態選擇表如表1所示。

表1 傳統直接轉矩控制電壓矢量

傳統直接轉矩控制中的開關狀態選擇存在以下方面的缺陷[3]:首先由于沒有考慮到電阻、電感等參數以及它們變化帶來的影響,使開關表的某些電壓矢量選擇存在相矛盾或者錯誤的地方。其次是在一個扇區內可供選用的電壓矢量數量有限,并且選擇表中的電壓矢量對定子磁鏈存在作用不平衡的問題。這些都是直接轉矩控制系統當中電機轉矩脈動大的重要因素。

3 空間電壓矢量的合成和磁鏈區間細分

為了提高系統的控制性能,降低轉矩脈動,可以利用空間矢量脈寬調制(SVPWM)的方法,使用兩個矢量合成任意方向,任意幅值的電壓矢量[4]。基于這種方法,本文利用相鄰的2個矢量沿它們的角平分線方向再合成一個矢量如圖1所示,可以將原來的6個電壓矢量擴展到12個有效矢量分別為U1～U12,即6個基本矢量和6個合成矢量,同時為了便于選擇,將整個區間重新劃分12個磁鏈扇區,分別為θ1～θ12表示,每個扇區為30°。磁鏈區間及其對應空間電壓矢量如圖2所示。

圖1 電壓矢量的合成

圖2 磁鏈區間及對應的電壓矢量

4 模糊控制器設計[5]

模糊控制系統是以模糊推理和控制經驗等作為基礎,它的核心是模糊控制器。

4.1 模糊變量

模糊控制器的輸入語言變量分別是電機定子磁鏈誤差eψ、轉矩誤差eT和磁鏈角θ,輸出量就是電壓矢量。將eψ和eT分別模糊化為Eψ和ET。其中磁鏈誤差Eψ包含{P、N、Z},它的隸屬度函數如圖3a所示,轉矩誤差ET包含{PL、PS、ZE、NS、NL},它的隸屬度函數如圖3b所示,為了避免出現開關選擇錯誤的問題,并使磁鏈軌跡盡量為圓形,磁鏈角θ被均分為每個的12個子區間,它的模糊子集為{θ1,θ2,…,θ12},隸屬度函數如圖3c所示。模糊控制器的一維輸出為離散的12個非零電壓矢量和一個零電壓矢量,它的模糊子集為{u0,u1,…,u11,u12},隸屬度函數如圖3d所示。

圖3 輸入輸出量隸屬度函數分布圖

4.2 模糊規則

在直接轉矩控制中,雖然增加了一倍的電壓矢量供選擇,但還是不能做到一種電壓空間矢量同時滿足轉矩和磁鏈變化的需要。但實現定子圓形磁鏈軌跡比保持電磁轉矩為給定值更容易,因此應首先考慮保持轉矩為給定范圍之內,在保證轉矩保持在給定范圍內的同時兼顧定子磁鏈的圓形軌跡[6]。模糊控制規則表述:

其中:X∈{N,Z,P};Y∈{PL,PS,ZE,NS,NL}

4.3 模糊推理

本文中的模糊控制系統采用Mamdani推理法,其隸屬函數如下:

本文中的模糊控制系統的輸出是單點模糊集,輸出為:

本模糊控制器包含總共180條模糊規則,模糊控制如表2所示。

表2 模糊控制表

5 系統仿真及結果分析

5.1 系統仿真

系統仿真模型如圖4所示。

圖4 模糊直接轉矩控制系統的仿真模型

仿真用的參數設定如下:Pn=3.7 kW,Un=460 V,f=60 Hz,Rr=0.228 Ω,RS=0.087 Ω,Ls=8 mH,Lr=0.8 mH,p=2,Lm=34.71 mH,J=1.662 kg·m2。

5.2 仿真及結果分析

由圖5a、圖5c、圖5e可知,傳統的直接轉矩控制的轉矩和定子磁鏈幅值都很大,轉速有很大的超調量;圖5b、圖5d、圖5f采用了磁鏈區間細分和模糊控制相結合的控制方法,從波形曲線可以看出,在同樣的條件下,采用了區間細分和模糊控制相結合的控制方法的直接轉矩控制比傳統的方法有更好的動態響應。轉矩和定子磁鏈脈動很小,無超調,保證了直接轉矩系統優異的動靜態響應性能。

6 結 語

磁鏈區間細分控制使得系統的控制更加精細,6個基本電壓矢量和6個合成電壓矢量都得到了比較充分的利用,克服了定子磁鏈幅值和磁通角變化時對系統轉速與轉矩的不利影響,運用模糊控制使系統運行平穩,提高了系統的動靜態性能和魯棒性,保證了直接轉矩系統優異的動靜態響應性能。仿真結果表明,本方法能有效地降低電動機的轉矩脈動,低速性能有較大的提高。

[1] 李夙.異步電機直接轉矩控制[M].北京:機械工業出版社,1998.

[2] 祝龍記,王汝琳.采用矢量細分的異步電動機的直接轉矩控制系統[J].微特電機,2004(6):30-32.

[3] 黃禎祥,郭延文,廖劍霞,等.直接轉矩控制系統磁鏈區間細分控制的應用[J].電力系統及其自動化學報,2008,20(1):61-65.

[4] Habetler T G,Profumo F,Pastorelli M,et al.Direct torque control of induction machine using space vector modulation[J].IEEE Trans.on Industry Application,1992,28:1045-1053.

[5] 諸靜.模糊控制原理與應用[M].北京:機械工業出版社,1998.

[6] 楊家強,黃進.異步電機直接轉矩控制轉矩脈動最小化方法研究[J].電工技術學報,2004,19(9):23-29.