異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)起動方法的研究

武德祥,張愛玲,許連丙,王建華

(太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院,太原030024)

直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control簡稱DTC),是20世紀(jì)80年代首先由德國學(xué)者提出,其主要原理是根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)選擇電壓空間矢量,進(jìn)而決定逆變器的開關(guān)狀態(tài),把磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制在一定容差范圍內(nèi),達(dá)到對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制一經(jīng)提出,很快因其簡單的控制思想、簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)得以快速發(fā)展[1,2]。

從直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)問世以來,人們的大量研究集中于其低速性能的改進(jìn),對起動方法的研究相對較少,文獻(xiàn)[4]提出了三種起動方法,分別是串行、并行、混合起動。但三種方法起動電流均較大,必須插入零矢量將起動電流限制在允許的范圍之內(nèi),從而使系統(tǒng)編程復(fù)雜。筆者提出兩種簡單、有效的起動方法,其中磁鏈優(yōu)先法除了可以限制起動電流,減小起動時間外還可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能,減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動;斜坡函數(shù)法通過改變速度給定的斜率來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的起動時間和控制起動電流。實驗結(jié)果表明,磁鏈優(yōu)先法起動電流小,起動時間短;斜坡函數(shù)法可根據(jù)負(fù)載的需要調(diào)節(jié)起動時間并有效限制起動電流。兩種方法在系統(tǒng)實現(xiàn)時均無需增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理

感應(yīng)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩公式：

式中：us,is,Rs分別為定子電壓、定子電流、定子電阻;Ψs,Ψr分別為定子、轉(zhuǎn)子磁鏈;θ為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角;pn為電機(jī)極對數(shù);Ls,Lr,Lm為定、轉(zhuǎn)子自感及互感。

由式(1)、(2)可知,保持定子磁鏈幅值近似不變,控制定子繞組的電壓空間矢量u s來控制定子繞組磁鏈 Ψs的旋轉(zhuǎn)速度,就可以改變定轉(zhuǎn)子磁鏈夾角θ的大小,達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)框圖

圖1為基于開關(guān)表的傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)框圖,從圖中可以看出,在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中,首先需要計算定子磁鏈及其所在的扇區(qū)以及電磁轉(zhuǎn)矩,然后把定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩分別與它們的給定值進(jìn)行比較,再把偏差與各自的滯環(huán)相比較,根據(jù)滯環(huán)比較器的輸出和此時磁鏈所在的扇區(qū)確定當(dāng)前輸出的電壓矢量開關(guān)狀態(tài),從而控制電機(jī)。

空間矢量的選擇方法如表1所示,表中CΨ,CT為滯環(huán)比較器的輸出,其值為0時代表給定值小于反饋值,需要減小轉(zhuǎn)矩(或磁鏈),為1時代表給定值大于反饋值,需要增大轉(zhuǎn)矩(或磁鏈)。例如 Ψs在Ⅰ扇區(qū),假定磁鏈逆時針旋轉(zhuǎn),如圖2,當(dāng) Ψs需要增大,轉(zhuǎn)矩也需要增大,則選擇電壓矢量V2。

圖2 電壓空間矢量

表1 直接轉(zhuǎn)矩控制電壓矢量選取

需要說明的是,在表1中,當(dāng)需要減小轉(zhuǎn)矩時,都選擇了零矢量,而沒有考慮磁鏈調(diào)節(jié)器的輸出。原因在于：

1)磁鏈本身的波動很小,一兩拍內(nèi)不控不會對磁鏈的軌跡造成多大影響。

2)如果選擇滯后矢量,雖然兼顧到磁鏈的控制,但對于轉(zhuǎn)矩來說,施加的結(jié)果造成轉(zhuǎn)矩波動大,從而使電流和轉(zhuǎn)速的波動大,影響了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。所以,一般情況下,應(yīng)優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)矩[5]。

2 起動方法研究

對電機(jī)起動性能得要求是起動轉(zhuǎn)矩大,起動電流小,對動態(tài)性能要求高的負(fù)載還要求起動時間短,超調(diào)小。根據(jù)對磁鏈、轉(zhuǎn)矩控制方案的不同,起動方法也不同。針對不同的負(fù)載性質(zhì)提出磁鏈優(yōu)先和斜坡函數(shù)起動兩種方法,并和串行[2]起動進(jìn)行對比。

2.1 磁鏈優(yōu)先法

在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中,一般情況下應(yīng)優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)矩。但是,在磁場尚未建立或者磁鏈偏離給定值過大時,就不能優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)矩了。因此在起動時,不考慮轉(zhuǎn)矩控制,首先使磁場建立起來即磁鏈優(yōu)先。

筆者采用的方法是,當(dāng)磁鏈比給定值小很多時,采用與磁鏈(位于k扇區(qū))處于同一扇區(qū)的電壓矢量(V k),使磁鏈快速增加;當(dāng)磁鏈比給定值大很多時,采用與磁鏈間隔兩個扇區(qū)的矢量(Vk+3),使磁鏈快速減小。這樣,系統(tǒng)運(yùn)行時有兩張開關(guān)表,一張是轉(zhuǎn)矩優(yōu)先開關(guān)表,如表1;另一張是磁鏈優(yōu)先開關(guān)表,如表2。起動時磁鏈為零,選擇磁鏈優(yōu)先開關(guān)表建立磁鏈。當(dāng)磁鏈滿足條件時,再優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)矩。

表2 磁鏈優(yōu)先控制電壓矢量選取

2.2 斜坡函數(shù)法

斜坡函數(shù)法是用斜坡函數(shù)來產(chǎn)生轉(zhuǎn)速給定值,斜率可根據(jù)負(fù)載需要調(diào)節(jié)。與轉(zhuǎn)速給定為階躍函數(shù)的情況相比,由斜坡函數(shù)給定的轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差始終較小,根據(jù)開關(guān)表所選擇的電壓矢量不會使系統(tǒng)過流。

2.3 串行起動法[4]

這種方法是把起動過程分為兩個步驟,首先調(diào)節(jié)磁鏈,使其幅值在最短時間內(nèi)達(dá)到參考值,然后再調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。在起動初始時刻,選擇電壓矢量 V1(100),此時磁鏈?zhǔn)噶颗cV1同向,幅角為零,幅值增加速率最大,直到磁鏈達(dá)到額定值。這期間相當(dāng)于直流電壓作用于電機(jī)的定子繞組上,為了限制起動電流,需要加入零矢量。實現(xiàn)的方法是檢測定子電流將其和給定值比較,若超過給定值則施加零矢量。這個過程中磁鏈幅角一直為零,所以轉(zhuǎn)矩為零。待磁鏈達(dá)到給定值后,使磁鏈以最大速度轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)矩快速達(dá)到設(shè)定值。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)電壓矢量選擇如表3所示。綜上所述,該方法需要專門編制一段程序來解決起動問題。

表3 串行起動法轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)開關(guān)表

3 實驗結(jié)果及分析

在基于TMS320LF2407 DSP的變頻調(diào)速實驗平臺上對上述三種起動方法進(jìn)行了對比。實驗系統(tǒng)由數(shù)字信號處理器(DSP),整流模塊,智能功率模塊(IPM),光電編碼器,霍爾電流傳感器,CAN/USB通訊模塊等組成,它勵直流發(fā)電機(jī)作為負(fù)載。逆變器采用了日本三菱公司的PM25RSB120IPM智能功率模塊。試驗結(jié)果如圖3所示。實驗時給定定子磁鏈0.99 Wb,給定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。直流發(fā)電機(jī)帶電阻負(fù)載起動,由直流發(fā)電機(jī)原理可知,轉(zhuǎn)速上升過程中電磁轉(zhuǎn)矩是變化的。實驗數(shù)據(jù)通過CAN/USB接口傳到上位機(jī)。

圖3-a,3-b,3-c分別表示上述三種起動方法起動過程中定子磁鏈幅值、定子電流、轉(zhuǎn)速隨時間變化的波形。由圖3-a可見,從磁鏈建立所需的時間來看,磁鏈優(yōu)先法最短,其次是串行法。從起動過程中定子電流的大小來看,斜坡函數(shù)法最小,串行起動法在t小于0.01 s時的電流呈鋸齒狀脈動是由于加入零矢量限流形成的。從起動時間的長短來看,從圖3-c可見,串行起動所用時間最短,但斜坡函數(shù)法起動過程最為平穩(wěn)。

圖3 磁鏈優(yōu)先、斜坡函數(shù)、串行起動方法實驗結(jié)果

4 結(jié)論

對比三種起動方法的分析及實驗結(jié)果可知,磁鏈優(yōu)先方法適用于對起動的快速性有較高要求的負(fù)載,系統(tǒng)實現(xiàn)時,可以將表1和2兩張開關(guān)表結(jié)合起來使用,當(dāng)磁鏈小于某一給定數(shù)值時,用磁鏈優(yōu)先的開關(guān)表,反之轉(zhuǎn)矩優(yōu)先。該方法無需專門考慮起動問題,使系統(tǒng)簡潔明了,且理論和實驗都表明該方法還可以有效減小穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動。斜坡函數(shù)法適用于不要求起動的快速性但要求起動電流小和起動過程平穩(wěn)的場合。

[1] James N Nash.Direct Torque Control,Inductioon Motor Vector Control Without an Encoder[J].IEEE Transaction On In A,1998,33(2)：411-418.

[2] Isao Takahashi,Toshihiko Noguchi.A New Quick-resp onse and high-efficiency control strategy of an induction motor[J].IEEE Transaction On In A,1986,22(5)：227-237.

[3] Zolghadri R,Diallo D,Roye D.Start up strategies for a direct torque controlled synchronous machine[J].Proceeding European Conference on Power Electronics,1977,9(3)：689-693.

[4] 孫笑輝,韓曾晉.異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制起動方法仿真研究[J].電氣傳動,2000,30(2)：13-17.

[5] 李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[6] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)：運(yùn)動控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[7] 李夙.異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1999.