改進的異步電機全速域直接轉矩滑?？刂品抡嫜芯?/h1>
2022-01-03 16:58:10張曹輝
科技與創(chuàng)新 2021年24期
張曹輝
（西安鐵路職業(yè)技術學院，陜西 西安 710026）
隨著電力電子技術的發(fā)展，實現三相異步電機平穩(wěn)調速的方法包括矢量控制和直接轉矩控制[1-2]，傳統(tǒng)直接轉矩控制（DTC）系統(tǒng)一般采用電壓-電流模型（u-i模型）對定子磁鏈進行觀測。實際控制中，尤其是低速域內，由于系統(tǒng)參數的影響，被積分量中會出現微量的直流成分，致使磁鏈的觀測結果產生畸變，嚴重影響DTC運行性能[3-4]。針對以上問題，文獻[5]根據定子頻率采用低通濾波磁鏈觀測器，通過選擇合適的截止頻率調整其增益和相位，使磁鏈觀測器具有一定的直流漂移抑制能力，但未能完全消除直流偏置。文獻[6]建立了帶通濾波器法定子磁鏈觀測器模型，采用幅值和相位誤差補償方法，解決了直流偏置問題。文獻[7-8]采用雙低通濾波器定子磁鏈觀測器法代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁鏈觀測器，通過兩個不同截止頻率和比例系數的低通濾波器相減，不僅消除了直流漂移和積分初值對磁鏈觀測的影響，而且對其進行幅值和相位補償后，獲得了幅值和相位精確的定子磁鏈，由于引入了其他參數，使計算與仿真過程變得相對煩瑣。文獻[9-13]采用滑模變結構法對傳統(tǒng)異步電機進行改進，降低了電機輸出轉矩的脈動含量，提高了系統(tǒng)的魯棒性。但是，對于大功率的牽引電機，尤其是針對全速域直接轉矩控制的牽引電機未做進一步的仿真與驗證。
為克服傳統(tǒng)磁鏈觀測方法所存在的積分初始值與直流誤差等問題，采用低通濾波器定子磁鏈觀測器法代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁鏈觀測器。針對傳統(tǒng)牽引異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)存在的問題，本文設計了一種新型的滑模控制器，并與空間矢量脈寬調制技術相結合，保證系統(tǒng)在交流調速過程中轉矩和磁鏈能夠快速且準確地達到期望值。
1 電壓型定子磁鏈觀測模型
1.1 傳統(tǒng)電壓型定子磁鏈觀測模型[3]
由定子電壓矢量方程，可得：
式（1）中：Rs為定子電阻。
可通過矢量ψs在DQ軸系的兩個分量ψD和ψQ來估計其幅值|ψs|和相位ρs。
由式（1），可得：
式（2）中，uD、uQ和iD、iQ由ABC坐標系到DQ軸系的坐標變換而得。
1.2 幅值限定的改進積分器
通過采樣電路獲得的定子電流存在零漂，并非標準的正弦型電流。由于定子電流中存在零漂，電動勢中將包含一定的直流誤差分量。由式（2）可以看出直流誤差分量將會對電壓型磁鏈觀測器產生嚴重影響，因為很小的直流誤差經過純積分作用都會導致定子磁鏈計算出現積分飽和，而且積分初值也會給磁鏈觀測結果帶來直流偏置。因此，零漂和積分初值會使磁鏈觀測結果嚴重畸變。對此，本文將式（1）可以改為：
進而將式（3）變換為：
式（4）中：ωc為低通濾波器的截止頻率。
式（4）是計算磁鏈的純積分替換環(huán)節(jié)一階低通濾波器，這種方法雖然能降低直流偏置誤差對定子磁鏈觀測的影響，但是當電機定子頻率接近轉折頻率ωc時會引起新的幅值和相位誤差，影響磁鏈觀測器的精度。
因此根據HU等人提出的改進積分器，將式（4）進一步改進，可以得到帶幅值補償的定子磁鏈觀測器，如圖1所示。
圖1 帶幅值補償的定子磁鏈觀測器
2 滑模控制的直接轉矩控制器
為了獲得磁鏈控制器的表達式，首先定義磁鏈的滑模面函數：
基于利用super-twisting算法的二階滑?？刂苹驹?，此時磁鏈控制器的表達式為：
式（6）中：Kp、Ki＞0，為待設計參數。
同理，為獲得轉矩控制器的表達式，定義轉矩的滑模面函數為：
此時轉矩控制器的表達式為：
本文對于設計參數r取0.5。根據式（5）～（8），可以得到基于滑模控制的直接轉矩控制。同時，為降低滑?？刂扑鶐淼亩墩?，采用sat函數代替sgn函數。
3 仿真結果
根據圖2所示改進的異步電機全速域直接轉矩圖，驗證所設計的異步電機全速域直接轉矩控制系統(tǒng)的性能，使用Matlab/Simulink進行仿真。異步電機參數：額定電壓1 375 V，額定電流598A，定子電阻0.024 209Ω，轉子電阻0.018 807Ω，定子漏感0.294 mH，轉子漏感0.585 mH，互感18.51 mH。極對數2，轉動慣量10 kg·m2。給定轉速2 553 r/min，給定負載轉矩2 000 N·m。
圖2、圖3、圖4分別為電機輸出轉矩、A相定子電流以及定子磁鏈幅值時間流程圖。由圖2可知，改進后的電機輸出轉矩在啟動之后能夠快速上升到恒轉矩階段，并且轉矩輸出脈動含量相比較傳統(tǒng)的電壓積分法有所降低，能夠以較小的脈動轉矩過渡到穩(wěn)定值。由圖3可得，改進后的電流相位與改進前相比有所改善。在一定程度上降低了電流波形畸變率。由圖4可知，改進后的定子磁鏈幅值在恒轉矩階段更加平滑，有利于保證電機運行穩(wěn)定性。
圖2 改進的異步電機全速域直接轉矩圖
圖3 A相定子電流
4 結語
本文從輸出轉矩、電流和磁鏈軌三個方面分析了本文設計的異步電機全速域直接轉矩滑?？刂葡到y(tǒng)的可行性，并且與傳統(tǒng)的基于空間矢量脈寬調制控制方法的全速域直接轉矩控制的輸出特性進行了對比，可知本文設計的系統(tǒng)在轉矩脈動以及電流諧波方面有所改善，在幾種控制策略切換的過程中，速度未出現較大的波動。同時，由于異步電機是一個多變量、強耦合、強非線性的系統(tǒng)，導致所建立的系統(tǒng)輸出轉矩脈動仍然明顯。因此，對于如何優(yōu)化異步電機全速域控制方法，改善直接轉矩控制系統(tǒng)的運行性能還需進一步研究與驗證。
張曹輝
（西安鐵路職業(yè)技術學院，陜西 西安 710026）
隨著電力電子技術的發(fā)展，實現三相異步電機平穩(wěn)調速的方法包括矢量控制和直接轉矩控制[1-2]，傳統(tǒng)直接轉矩控制（DTC）系統(tǒng)一般采用電壓-電流模型（u-i模型）對定子磁鏈進行觀測。實際控制中，尤其是低速域內，由于系統(tǒng)參數的影響，被積分量中會出現微量的直流成分，致使磁鏈的觀測結果產生畸變，嚴重影響DTC運行性能[3-4]。針對以上問題，文獻[5]根據定子頻率采用低通濾波磁鏈觀測器，通過選擇合適的截止頻率調整其增益和相位，使磁鏈觀測器具有一定的直流漂移抑制能力，但未能完全消除直流偏置。文獻[6]建立了帶通濾波器法定子磁鏈觀測器模型，采用幅值和相位誤差補償方法，解決了直流偏置問題。文獻[7-8]采用雙低通濾波器定子磁鏈觀測器法代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁鏈觀測器，通過兩個不同截止頻率和比例系數的低通濾波器相減，不僅消除了直流漂移和積分初值對磁鏈觀測的影響，而且對其進行幅值和相位補償后，獲得了幅值和相位精確的定子磁鏈，由于引入了其他參數，使計算與仿真過程變得相對煩瑣。文獻[9-13]采用滑模變結構法對傳統(tǒng)異步電機進行改進，降低了電機輸出轉矩的脈動含量，提高了系統(tǒng)的魯棒性。但是，對于大功率的牽引電機，尤其是針對全速域直接轉矩控制的牽引電機未做進一步的仿真與驗證。
為克服傳統(tǒng)磁鏈觀測方法所存在的積分初始值與直流誤差等問題，采用低通濾波器定子磁鏈觀測器法代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁鏈觀測器。針對傳統(tǒng)牽引異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)存在的問題，本文設計了一種新型的滑模控制器，并與空間矢量脈寬調制技術相結合，保證系統(tǒng)在交流調速過程中轉矩和磁鏈能夠快速且準確地達到期望值。
1 電壓型定子磁鏈觀測模型
1.1 傳統(tǒng)電壓型定子磁鏈觀測模型[3]
由定子電壓矢量方程，可得：
式（1）中：Rs為定子電阻。
可通過矢量ψs在DQ軸系的兩個分量ψD和ψQ來估計其幅值|ψs|和相位ρs。
由式（1），可得：
式（2）中，uD、uQ和iD、iQ由ABC坐標系到DQ軸系的坐標變換而得。
1.2 幅值限定的改進積分器
通過采樣電路獲得的定子電流存在零漂，并非標準的正弦型電流。由于定子電流中存在零漂，電動勢中將包含一定的直流誤差分量。由式（2）可以看出直流誤差分量將會對電壓型磁鏈觀測器產生嚴重影響，因為很小的直流誤差經過純積分作用都會導致定子磁鏈計算出現積分飽和，而且積分初值也會給磁鏈觀測結果帶來直流偏置。因此，零漂和積分初值會使磁鏈觀測結果嚴重畸變。對此，本文將式（1）可以改為：
進而將式（3）變換為：
式（4）中：ωc為低通濾波器的截止頻率。
式（4）是計算磁鏈的純積分替換環(huán)節(jié)一階低通濾波器，這種方法雖然能降低直流偏置誤差對定子磁鏈觀測的影響，但是當電機定子頻率接近轉折頻率ωc時會引起新的幅值和相位誤差，影響磁鏈觀測器的精度。
因此根據HU等人提出的改進積分器，將式（4）進一步改進，可以得到帶幅值補償的定子磁鏈觀測器，如圖1所示。
圖1 帶幅值補償的定子磁鏈觀測器
2 滑模控制的直接轉矩控制器
為了獲得磁鏈控制器的表達式，首先定義磁鏈的滑模面函數：
基于利用super-twisting算法的二階滑?？刂苹驹?，此時磁鏈控制器的表達式為：
式（6）中：Kp、Ki＞0，為待設計參數。
同理，為獲得轉矩控制器的表達式，定義轉矩的滑模面函數為：
此時轉矩控制器的表達式為：
本文對于設計參數r取0.5。根據式（5）～（8），可以得到基于滑模控制的直接轉矩控制。同時，為降低滑?？刂扑鶐淼亩墩?，采用sat函數代替sgn函數。
3 仿真結果
根據圖2所示改進的異步電機全速域直接轉矩圖，驗證所設計的異步電機全速域直接轉矩控制系統(tǒng)的性能，使用Matlab/Simulink進行仿真。異步電機參數：額定電壓1 375 V，額定電流598A，定子電阻0.024 209Ω，轉子電阻0.018 807Ω，定子漏感0.294 mH，轉子漏感0.585 mH，互感18.51 mH。極對數2，轉動慣量10 kg·m2。給定轉速2 553 r/min，給定負載轉矩2 000 N·m。
圖2、圖3、圖4分別為電機輸出轉矩、A相定子電流以及定子磁鏈幅值時間流程圖。由圖2可知，改進后的電機輸出轉矩在啟動之后能夠快速上升到恒轉矩階段，并且轉矩輸出脈動含量相比較傳統(tǒng)的電壓積分法有所降低，能夠以較小的脈動轉矩過渡到穩(wěn)定值。由圖3可得，改進后的電流相位與改進前相比有所改善。在一定程度上降低了電流波形畸變率。由圖4可知，改進后的定子磁鏈幅值在恒轉矩階段更加平滑，有利于保證電機運行穩(wěn)定性。
圖2 改進的異步電機全速域直接轉矩圖
圖3 A相定子電流
4 結語
本文從輸出轉矩、電流和磁鏈軌三個方面分析了本文設計的異步電機全速域直接轉矩滑?？刂葡到y(tǒng)的可行性，并且與傳統(tǒng)的基于空間矢量脈寬調制控制方法的全速域直接轉矩控制的輸出特性進行了對比，可知本文設計的系統(tǒng)在轉矩脈動以及電流諧波方面有所改善，在幾種控制策略切換的過程中，速度未出現較大的波動。同時，由于異步電機是一個多變量、強耦合、強非線性的系統(tǒng)，導致所建立的系統(tǒng)輸出轉矩脈動仍然明顯。因此，對于如何優(yōu)化異步電機全速域控制方法，改善直接轉矩控制系統(tǒng)的運行性能還需進一步研究與驗證。
