異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究

聶相舉 王澤東 苗星雷

摘要：傳統(tǒng)異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中存在磁鏈觀測誤差，在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上，對磁鏈觀測中純積分導(dǎo)致的直流漂移和積分初值問題以及定子電阻變化的影響進行優(yōu)化。用交換低通濾波環(huán)節(jié)與補償環(huán)節(jié)的相對位置來代替純積分，從而優(yōu)化積分效果。由結(jié)果可知，有效的抑制力直流漂移，提高了磁鏈觀測的準確性。

關(guān)鍵詞：直流漂移；純積分；磁鏈觀測

引 言

直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）變頻調(diào)速，是繼矢量控制技術(shù)之后又一新型的高效變頻調(diào)速技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標系下，以空間矢量概念，通過檢測到的定子電壓、電流，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量變換中的許多復(fù)雜計算，它也不需要模仿直流電動機的控制，從而也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型，而只需關(guān)心電磁轉(zhuǎn)矩的大小，因此控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估算出同步速度信息，同時也很容易得到轉(zhuǎn)矩模型，磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型就構(gòu)成了完整的電動機模型，因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器控制，如果在系統(tǒng)中再設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，即可進一步得到高性能動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制了。

1 異步電動機直轉(zhuǎn)矩的基本控制原理

八十年代由于Holtz和Muari等學者的卓越工作促使瞬間電壓空間矢量理論取得了充分的發(fā)展，使得人們對電機一逆變器系統(tǒng)有了更深入的了解，通過控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)可以實現(xiàn)對電機瞬時空間矢量的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對磁鏈的控制和調(diào)節(jié)，人們稱此為“磁鏈自控制”理論，用此理論可以保持定子磁鏈幅值恒定，再通過調(diào)節(jié)零電壓矢量的作用時間，就可以控制磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，就可以改變瞬時滑差頻率以達到控制轉(zhuǎn)矩的目的。

1）磁鏈、轉(zhuǎn)矩觀測器：電流、電壓通過采樣經(jīng)過3/2變化出相應(yīng)的值，通過電機數(shù)學模型計算出異步電機的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩；

2）磁鏈位置檢測單元：根據(jù)定子磁鏈的α和β分量，確定定子磁鏈所在區(qū)段，給出定子磁鏈的位置；

3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器：形成反饋環(huán)節(jié)，通過比較反饋轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，形成對轉(zhuǎn)速的控制；

4）磁鏈調(diào)節(jié)器：用兩點式控制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，來控制定子磁鏈在初始值周圍的變換，給出磁鏈的控制信號；

5）轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器：利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的給定轉(zhuǎn)矩，采用三點式滯環(huán)控制，輸出轉(zhuǎn)矩控制信號，直接控制電機的轉(zhuǎn)矩；

6）開關(guān)狀態(tài)選擇單元：根據(jù)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制信號以及定子磁鏈位置，輸出合適的開關(guān)狀態(tài)S來控制逆變器驅(qū)動電機穩(wěn)定運行。

2 定子磁鏈算法的研究與改進

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）是繼矢量控制之后發(fā)展起來的另一種高性能的交流電機控制方法。是采用定子磁場定向?qū)崿F(xiàn)對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。所以要想提高直接轉(zhuǎn)矩控制效果需要更好的對定子磁鏈的觀測。

2.1 純積分器觀測法

從時域上看，純積分器的極點在S 平面的原點，因此決定了純積分器對反電動勢中的定子電阻變化和直流偏移比較敏感，尤其對電機低速運行時的性能影響嚴重。

2.2 閾值固定型積分器觀測法

采用閾值固定型積分器算法，可以消除純積分器初值不準確、直接偏移和誤差積累等對定子磁鏈估計的影響，同時對磁鏈相位沒有影響。磁鏈相位通過兩次坐標變換后仍然保持原來反饋輸入磁鏈的相位，避免了磁鏈波形的畸變，提高了磁鏈觀測的精度。

2.3新型改進積分器觀測法

閾值固定型積分器雖然具有較好的直流偏移抑制能力，但它的動態(tài)性能較差，當電機轉(zhuǎn)速變化時，定子電壓頻率會隨之發(fā)生變化，磁鏈估算會出現(xiàn)較大誤差，在低速時問題尤其突出。而且反饋回路比較復(fù)雜。針對上述問題，本文提出了一種新型改進積分器，通過簡單交換磁鏈觀測器中低通濾波器與補償環(huán)節(jié)的順序，首先對定子感應(yīng)電勢進行相位和幅值補償，再通過低通濾波器獲得定子磁鏈，改善了傳統(tǒng)改進積分器的動態(tài)性能，進一步提高了磁鏈觀測精度。

3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型

本文的仿真均基于MatlabR2012b，在Simulink環(huán)境下用S函數(shù)和通用模塊共同構(gòu)成異步電動機DTC仿真系統(tǒng)。本文構(gòu)建了如圖3所示的DTC仿真系統(tǒng)。這是一個簡單的圓形磁鏈的仿真結(jié)構(gòu)。它結(jié)構(gòu)清晰，均采用模塊化設(shè)計，通用性好；各物理量通過示波器和雙軸圖形等直接顯示；運行時間作為變量引入仿真過程。基于此系統(tǒng)能很好地開展各種直接轉(zhuǎn)矩控制算法的研究。

圖3 DTC仿真系統(tǒng)

3.1 異步電動機仿真模型

在DTC系統(tǒng)中，一個完整的異步電動機數(shù)學模型應(yīng)包括電壓一電流方程、定子磁鏈觀測方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程和機電運動方程。為了實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的模塊化，將異步電動機模型做成封裝子系統(tǒng)的形式并且更改電機參數(shù)十分方便。

3.2 定子磁鏈觀測器模型

定子磁鏈觀測如前所分析，采樣改進的積分法模型，其在simulink中的構(gòu)建，給出的是定子磁鏈模型及3—2坐標變換。

4 仿真結(jié)果

本仿真系統(tǒng)的參數(shù)完全參照實驗裝置的參數(shù)。選擇功率為2.2kW的異步電動機，定子電阻Rs=2.5，轉(zhuǎn)子電阻Rr=2.7，定子電感Ls=0.333H，轉(zhuǎn)子電感Lr=0.333H，互感Lm=0.31942H，機械轉(zhuǎn)動慣量J=0.0086 kg.m2，極對數(shù)Pn=2；負載轉(zhuǎn)矩TL=20N.m；逆變器直流側(cè)電壓Ud=308V；額定轉(zhuǎn)速ne=1200r/min磁鏈給定1Wb；轉(zhuǎn)矩容差T =0.1N·m；轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)是可以變化的，根據(jù)負載、調(diào)速等情況具體選擇。

本文對以下兩種情況進行了仿真：

（1）轉(zhuǎn)矩負載為零，仿真過程中沒有變化，仿真結(jié)果見圖4.1所示；

（2）轉(zhuǎn)矩負載初始值為零，0.15秒鐘后，當電機轉(zhuǎn)速達到給定值的時候，轉(zhuǎn)矩發(fā)生跳變，變成了20N·M，仿真結(jié)果見圖5-6所示。

首先要說明的是圖4.1和圖4.2中各個圖形中的橫坐標都是仿真所用的時間—單位為秒（s）

（A）—定子磁鏈 （B）—電機的定子電流

（C）—電機轉(zhuǎn)速 （D）—電機轉(zhuǎn)矩

圖4.1 負載為零時的仿真結(jié)果

（A）—定子磁鏈 （B）—電機的定子電流

（C）—電機轉(zhuǎn)速 （D）—電機轉(zhuǎn)矩

圖4.2 電機負載變化時的仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)時的性能優(yōu)良。對磁鏈響應(yīng)來說，系統(tǒng)外部情況的變化對磁鏈的影響很小。

從圖中系統(tǒng)空載和突加負載的仿真結(jié)果可以看到，轉(zhuǎn)矩也基本上被限制在了容差范圍以內(nèi)，雖然沒能嚴格地控制在滯環(huán)寬度內(nèi)，但變化平穩(wěn)。

總之，采用本文中所設(shè)計的控制策略進行的直接轉(zhuǎn)矩仿真，所得到的系統(tǒng)的動靜態(tài)特性都很優(yōu)良，與理論分析的結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)束語

本文通過對磁鏈觀測中純積分導(dǎo)致的直流漂移和積分初值問題以及定子電阻變化的影響進行優(yōu)化，有效的抑制力直流漂移，提高了磁鏈觀測的準確性。進一步抑制餓轉(zhuǎn)矩波動和電流畸變，通過實驗結(jié)果證明方案具有可實行性。