感應電機矢量控制的功率級快速控制原型實驗平臺

李留生, 郝正航, 陳 卓, 楊 旭

(貴州大學 電氣工程學院, 貴州 貴陽 550025)

感應電機矢量控制的功率級快速控制原型實驗平臺

李留生, 郝正航, 陳 卓, 楊 旭

(貴州大學 電氣工程學院, 貴州 貴陽 550025)

為滿足實時仿真的需要,研制了具有完全自主知識產權的通用實時仿真器，介紹了該仿真器的功能；基于該仿真器開發了該功率級快速控制原型實驗平臺，詳細介紹了該實驗平臺的系統組成、工作原理和實驗中的關鍵問題,重點介紹了控制模型中矢量控制系統的建模原理,以及預啟動電路和矢量控制系統的實時切換。在實驗室樣機上實現了感應電機的實時矢量控制。實驗結果表明,該實驗平臺可實現負載模擬和閉環調速實驗功能。

功率級快速控制原型(PRCP)； 矢量控制；實時仿真器(UREP)； 預啟動電路

功率級快速控制原型(power level rapid control prototype,PRCP)是在信號級快速控制原型(RCP)基礎上的平臺搭建,是將RCP和功率級接口裝備(功率放大器)無縫集成的可接入功率級實物的系統級實驗驗證平臺。PRCP的基礎是RCP,而RCP是近幾年發展成熟的一種仿真技術,源自制造業的快速原型(rapid prototyping,RP)技術[1]。RP技術的主要思想是盡可能在虛擬環境中進行產品設計,從而縮短開發周期,降低開發費用。將RP技術引進電子控制系統的設計和控制算法的實時測試后,改稱為快速控制原型(RCP)技術。在系統開發的初期階段,快速地建立控制器模型,并對整個系統進行多次離線和在線的測試來驗證控制方案的可行性,這個過程稱為快速控制原型[2]。

早期的RCP系統,絕大多數以DSP和PowerPC等微處理器為核心構建,是某些公司根據自己的應用領域需要開發的專用系統,技術先進，但價格昂貴,如德國dSPACE。后來加拿大的RT-LAB、美國的MathWorks、NI、Ardence等公司推出了基于PC的RCP系統,提供了一種相對廉價的選擇[3]。

本文研究的PRCP采用的RCP裝置是貴州大學自主研發的通用實時仿真器(universal real-time expermental platform, UREP)。UREP實現了和Matlab/Simulink的完全無縫連接,相較于德國dSPACE和加拿大RTDS具有較高的性價比。UREP包含多核處理器、通信控制程序、協調優化硬件解算器、高速通信單元、智能I/O接口等,是本實驗的核心硬件裝置。UREP具有快速控制原型、硬件在環、功率級快速控制原型和功率硬件在環仿真4項基本功能,仿真步長最短可達30 μs,其中I/O通道支持±10 V模擬信號及頻率10 kHz以內的TTL電平形式的數字信號?？刂葡到y采用Matlab/Simulink圖形化建模工具,簡潔明了,省去了繁瑣的嵌入式開發過程[4]。

1 PRCP系統結構與工作原理

1.1 PRCP系統結構

基于UREP的感應電機矢量控制的功率級快速控制原型由虛擬控制器、功率設備和對拖機組組成,系統結構如圖1所示。虛擬控制器由上位機、實時仿真器和控制機箱組成,上位機和實時仿真器通過以太網連接；功率設備由變流器1和變流器2組成,變流器包含單相整流電路和三相逆變電路；對拖機組由異步電機M(原動機)和雙饋電機G同軸連接并固定在電機架上。

1.2 工作原理

在上位機Matlab/Simulink環境下建立異步電機矢量控制模型,同時建立雙饋電機的勵磁控制模型,編譯下載到實時仿真器并驅動變流系統,變流系統驅動異步電機并為雙饋電機提供勵磁電源。通過Labview建立的監控平臺實時調節控制模型參數。在整個過程中,控制機箱采集變流器的電壓和電流量以及電機編碼器反饋的轉速量；上位機監控整個系統的運行,根據實驗要求通過總線向變流器發出控制指令,同時接收它們的運行數據,并對數據進行保存、分析與顯示[5]。

圖1 PRCP系統結構

2 關鍵問題

2.1 監控平臺

通過LabVIEW在上位機中建立UREP的監控平臺。感應電機矢量控制的功率級快速控制原型的電機監控平臺見圖2。實驗者可通過該監控平臺設置控制參數、干預實驗進程、保存和分析實驗數據。

圖2 電機監控平臺

2.2 矢量控制預啟動

由于矢量控制在轉速為零時沒有張力,所以需要增設預啟動電路,利用預啟動電路使電機運轉。預啟動電路和矢量控制的模式切換，可以通過監控系統的控制開關來實現。同時,預啟動環節也發揮了電機開環實驗的作用,是閉環實驗的預備工作。

2.3 負載轉矩模擬原理

原動機(異步電機)M拖動雙饋電機G同軸旋轉,此時雙饋電機G的轉子繞組通以交流電進行勵磁,則雙饋電機G處于發電運行狀態。通過投切雙饋發電機G定子繞組外接的電阻負載來模擬異步電機的沖擊性負載轉矩。

2.4 數/模轉換電路(f/V模塊)

電機平臺使用分辨率為1 000 P/R的增量編碼器。編碼器最大可能輸出的脈沖頻率可達50 kHz,通過實時仿真器或控制機箱直接接受高頻脈沖將造成很大困難,故增加了頻率電壓轉換硬件電路(f/V模塊),將高頻數字量轉化為±10 V以內的模擬量進行采集,然后在控制模型里再轉化為轉速值。

2.5 直流側功率電路

本實驗中的直流側功率電路采用單相整流電路,含有單相整流橋、限流電阻、濾波電容、放電電阻等,可將220 V單相交流電整流成約328 V直流電,用于變流系統的直流側供電。

3 矢量控制原理

異步電機具有多變量、高階、非線性、強耦合的特點[6]。根據電機統一理論和空間矢量等效變換理論,經過矢量變換,變量數減少、階數降低、實現了電磁轉矩和轉子磁鏈的解耦。轉子磁鏈Ψr唯一地取決于定子電流矢量的磁鏈分量isd,在保證轉子磁鏈不變時,電磁轉矩Te則唯一地取決于定子電流矢量的轉矩分量isq。因此可以模仿直流電機的控制策略,通過對定子電流轉矩分量isq的控制來實現對電磁轉矩的控制,這就是矢量控制的基本原理[7]。圖3為含有轉矩內環的轉速、磁鏈雙閉環矢量控制結構圖。

圖3 轉矩閉環的矢量控制系統結構圖

4 控制系統建模

4.1 預啟動電路和勵磁電路控制模型

建立的預啟動電路是一個開環變壓變頻(VVVF)調速系統,其控制模型如圖4所示,其頻率和電壓均通過LabVIEW監控平臺實時給定。

雙饋電機G的轉子繞組勵磁電路模型與預啟動電路相同,只是給定的頻率和電壓值不同。

圖4 預啟動電路控制模型

4.2 矢量控制模型

如圖5所示,在Simulink中建立了按轉子磁鏈定向的含轉矩內環的轉速、磁鏈雙閉環的矢量控制模型。

該矢量控制模型中加入了濾波環節[8]和電壓前饋補償環節[9]。另外含有3個PI調節器,分別是轉速調節器ASR、轉矩調節器ATR和磁鏈調節器AΨR。這3個PI調節器參數的設置是關系到系統能否穩定的關鍵,也是系統仿真調試時的難點。因為3個PI調節器是相互關聯的，任何一個調節器參數的變化都會引起系統的不穩定[10]。調試時,先確定3個PI調節器參數的大致范圍；然后再在范圍內慢慢調。一般情況下PI參數調節順序為先內環后外環,先比例系數后積分系數。

本實驗中,三相逆變電路輸出的最大相電壓有效值為92.4 V,由線圈電動勢U=4.44fφm[11],額定轉速(f=50 Hz)時,氣隙磁通φm約為0.4 Wb。在工頻以下,采取恒磁通控制,忽略漏磁通,磁通的給定值為0.4 Wb。

4.3 控制系統總模型

含預啟動電路的用于驅動異步電機M的控制系統總模型如圖6所示。

5 PRCP平臺驗證與分析

在實驗室PRCP平臺上進行實驗,電機的額定功率PN、額定電壓VN、額定電流IN和額定轉速nN分別為PN=5.5 kW、UN=380 V、f=50 Hz、IN=12.9 A、nN=960 r/min,功率因數cosθ=0.77,效率η=84%,極對數p=3,定子電阻Rs=1.954 Ω,定子漏感Lσs=0.002 989 H,轉子電阻Rr=1.249 Ω,轉子漏感Lσr=0.015 850 H,互感Lm=0.078 24 H,轉動慣量J=0.051 kgm2，電機同步轉速ns=60f/p=1 000r/min(f/p為頻率與極對數之比)，轉子額定角速度ωN=2πnN/60=100.48 rad/s，額定轉矩PeN=PN/ωN=54.7N·m。

圖5 矢量控制模型

圖6 控制系統總模型

5.1 啟動和切換過程分析

預啟動電路給定電壓調制比M1=0.66,給定角頻率ω1=219(對應73 rad/s),矢量控制模型給定n=70 rad/s,電機穩定后,由預啟動開環控制切換到閉環矢量控制,得到實驗結果見圖7。

由圖7(a)可知：在預啟動模型的控制下異步電機M轉速迅速上升到72 rad/s,略小于開環轉速給定值,是因為電機存在轉差率和雙饋電機負載；而切換到矢量控制模式時,轉速先下降，然后又迅速穩定在矢量控制給定值。

由圖7(b)可知：啟動過程中最大轉矩為26.6 N·m；切換到閉環啟動時最大轉矩為反向的85 N·m,為額定轉矩的1.55倍,一般電機啟動轉矩不超過額定轉矩的2倍。

由圖7(c)知：電機開環啟動電流的峰值為27.2 A；而切換到閉環啟動的瞬間的電流峰值為53 A,其有效值為37.48 A,為額定電流的2.9倍。一般情況下電機的啟動電流不超過額定電流的6～7倍[10]；開環穩定時電機的空載電流的峰值為3.53 A,有效值為2.5 A,是額定電流的0.19倍；閉環穩定時,空載電流峰值為4.72 A,有效值為3.34 A,為額定值的0.26倍。一般電機的空載電流小于額定電流的0.6倍,所以該空載電流在可接受的范圍內。

由圖7(d)三相電流放大曲線可知,切換瞬間會因電流相位的不同,產生不同的沖擊,圖中時刻恰恰沖擊幾乎最大。

5.2 閉環調速分析

對閉環矢量控制系統進行實時調速,通過LabVIEW界面首先輸入轉速給定值94 rad/s,經過1 s后給定值改為70 rad/s,再經過1 s后,給定值改為45 rad/s,輸出結果見圖8。

圖7 預啟動及其到矢量控制的切換結果

圖8 閉環矢量控制調速結果

由圖8(a)可見,電機轉速能實時跟蹤調節指令,幾乎無延時、無超調。

由圖8(b)可見,實時調速時電機電壓與電機轉速同步變化,說明矢量控制是更精確的恒壓頻比控制,其調速范圍寬,控制性能高。

5.3 沖擊性負載擾動分析

在矢量控制模型中給定n=94 rad/s(對應于45 Hz),異步電機拖動雙饋電機接近額定轉速運行；在勵磁電路模型中給定電壓調制比M3=0.08,給定角頻率ω3=31.4(對應于f=5 Hz),則勵磁電路對雙饋電機轉子繞組進行勵磁,由雙饋發電機原理知雙饋電機處于發電運行狀態,且發出的是工頻交流電[12-13]。此時其定子繞組突加R=7 Ω的三相純電阻負載時,實驗結果如圖9所示。

由圖9(a)可知,加沖擊性負載后電機轉速迅速下降至91.2 rad/s,很快又回到給定值,實現了閉環控制。

由圖9(b)知：電機轉速突降時,電機轉矩迅速增大使電機轉速升高,轉速穩定后,電機轉矩迅速下降并穩定在新的平衡點；該對拖機組的空載轉矩約為0.7 N·m,負載后轉矩約為2 N·m。

由圖9(c)a相的電流和圖9(d)中線電壓局部放大曲線可知,加該沖擊性負載時電流、電壓沖擊較小,并很快達到穩定。

圖9 矢量控制加沖擊性負載結果

6 結論

基于實時仿真器(UREP)開發的功率級快速控制原型實驗平臺,控制部分采用Matlab/Simulink建模,控制對象為實際對拖機組,實現了與圖形化建模環境的無縫集成。通過感應電機的矢量控制實驗表明，該平臺可用于電機控制領域的實驗研究和技術開發。該平臺開放程度高、擴展性好,用于學生課程設計和研究生創新課題研究時,可顯著提高工作效率、快速驗證基于圖形化模型的控制思想和方案,達到加速研究進程的目的。

References)

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Experimental platform of power rapid control prototype for vector control of induction motor

Li Liusheng，Hao Zhenghang， Chen Zhuo， Yang Xu

(College of Electrical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025, China)

In order to meet the needs of the real-time simulation, Guizhou University has successfully developed a universal real time simulator with full autonomous property rights. The functions of the simulator are introduced, and the experimental platform of the power rapid control prototype (PRCP) is developed based on this simulator. The system composition, working principle and key test problems of the experimental platform are introduced in detail, and the emphasis is placed on introducing the modeling principle of the vector control system in the control model and the real-time switching between the pre-start circuit and the vector control system. Finally, the real-time vector control of the induction motor is realized on the laboratory prototype. The experimental results show that the experimental platform can realize the experimental function of the load simulation and closed-loop speed regulation.

power rapid control prototype； vector control； real-time simulator; pre-start circuit

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.025

2017-06-26修改日期2017-08-01

國家自然科學基金項目(51467003/51567005)資助；貴州大學高等教育研究項目(Gdgj2016002)

李留生(1991—),男,河南周口,碩士研究生,主要研究方向為風力發電運行與控制

E-mail：409753337@qq.com

郝正航(1972—),男,河南開封,博士,教授,博士研究生導師,主要研究方向為風力發電、微電網、柔性直流輸電、電力系統穩定分析與控制.

E-mail：haozhenghang@163.com

TM346

A

1002-4956(2017)12-0102-06