異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制技術是一種新型的高性能異步電動機變頻調(diào)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(zhuǎn)矩控制理論,它具有控制思路新穎、結(jié)構簡單、響應迅速等優(yōu)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(xiàn)為電動機在低速時性能差,電流和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制技術的發(fā)展。本文主要針對直接轉(zhuǎn)矩控制技術中轉(zhuǎn)矩脈動大的問題,運用先進的算法來實現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制,進一步優(yōu)化系統(tǒng),從而減小系統(tǒng)運行時的轉(zhuǎn)矩脈動。

傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制是根據(jù)某個時刻的轉(zhuǎn)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(nèi),這種控制模式具有響應快、結(jié)構和算法簡單等優(yōu)點。但在目前的實際應用中,由于數(shù)字控制系統(tǒng)中的一個采樣周期內(nèi)只有單一的電壓空間矢量作用,而且只有七個不連續(xù)的空間電壓矢量供控制系統(tǒng)選擇,不可避免地會使轉(zhuǎn)矩和磁鏈急劇的增加或減少。低速時受到定子電阻參數(shù)的影響脈動更加明顯,在數(shù)字化中實現(xiàn)更加突出。

本文根據(jù)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的缺陷,提出了磁鏈區(qū)間細分法[2]與模糊控制相結(jié)合的方法,即在十二區(qū)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(yōu)化電壓矢量選擇,并且對新提出的方案進行了仿真。結(jié)果表明,直接轉(zhuǎn)矩控制新方案的性能得到比較明顯改善。

1 異步電動機轉(zhuǎn)矩脈動的分析

電動機的電磁轉(zhuǎn)矩等于定子磁鏈和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)對異步電動機的轉(zhuǎn)矩控制,即通過電壓矢量的交替變換來實現(xiàn)對定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的角速度控制,同時由于轉(zhuǎn)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(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。直接轉(zhuǎn)矩控制就是根據(jù)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(tài)。

轉(zhuǎn)矩波動的上限與下限變化寬度與控制系統(tǒng)的采樣周期和電機的所加電壓矢量有關。如果提高系統(tǒng)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(zhuǎn)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(fā)熱也更厲害,也影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。數(shù)字化控制系統(tǒng)中的采樣周期和系統(tǒng)控制周期一般是固定不變的,所以在數(shù)字控制系統(tǒng)中,一個周期內(nèi)只有一個電壓矢量作用是造成電動機轉(zhuǎn)矩脈動大的主要原因。

在常用的電壓型逆變器中,系統(tǒng)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(xù)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(xù)不斷的。由于電壓的斷續(xù)和磁鏈角連續(xù)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(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩脈動的一個重要原因。

2 傳統(tǒng)開關表的缺陷

傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中采用兩點式滯環(huán)比較器作為磁鏈控制器,用三點式滯環(huán)比較器作為轉(zhuǎn)矩控制器,系統(tǒng)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(tài)選擇表如表1所示。

表1 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制電壓矢量

傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中的開關狀態(tài)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(shù)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(qū)內(nèi)可供選用的電壓矢量數(shù)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(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)當中電機轉(zhuǎn)矩脈動大的重要因素。

3 空間電壓矢量的合成和磁鏈區(qū)間細分

為了提高系統(tǒng)的控制性能,降低轉(zhuǎn)矩脈動,可以利用空間矢量脈寬調(diào)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]?；谶@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(qū)間重新劃分12個磁鏈扇區(qū),分別為θ1～θ12表示,每個扇區(qū)為30°。磁鏈區(qū)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(qū)間及對應的電壓矢量

4 模糊控制器設計[5]

模糊控制系統(tǒng)是以模糊推理和控制經(jīng)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(zhuǎn)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(shù)如圖3a所示,轉(zhuǎn)矩誤差ET包含{PL、PS、ZE、NS、NL},它的隸屬度函數(shù)如圖3b所示,為了避免出現(xiàn)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(qū)間,它的模糊子集為{θ1,θ2,…,θ12},隸屬度函數(shù)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(shù)如圖3d所示。

圖3 輸入輸出量隸屬度函數(shù)分布圖

4.2 模糊規(guī)則

在直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和磁鏈變化的需要。但實現(xiàn)定子圓形磁鏈軌跡比保持電磁轉(zhuǎn)矩為給定值更容易,因此應首先考慮保持轉(zhuǎn)矩為給定范圍之內(nèi),在保證轉(zhuǎn)矩保持在給定范圍內(nèi)的同時兼顧定子磁鏈的圓形軌跡[6]。模糊控制規(guī)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(tǒng)采用Mamdani推理法,其隸屬函數(shù)如下:

本文中的模糊控制系統(tǒng)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(guī)則,模糊控制如表2所示。

表2 模糊控制表

5 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

5.1 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4 模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型

仿真用的參數(shù)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(jié)果分析

由圖5a、圖5c、圖5e可知,傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值都很大,轉(zhuǎn)速有很大的超調(diào)量;圖5b、圖5d、圖5f采用了磁鏈區(qū)間細分和模糊控制相結(jié)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(qū)間細分和模糊控制相結(jié)合的控制方法的直接轉(zhuǎn)矩控制比傳統(tǒng)的方法有更好的動態(tài)響應。轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈脈動很小,無超調(diào),保證了直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)優(yōu)異的動靜態(tài)響應性能。

6 結(jié) 語

磁鏈區(qū)間細分控制使得系統(tǒng)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(tǒng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的不利影響,運用模糊控制使系統(tǒng)運行平穩(wěn),提高了系統(tǒng)的動靜態(tài)性能和魯棒性,保證了直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)優(yōu)異的動靜態(tài)響應性能。仿真結(jié)果表明,本方法能有效地降低電動機的轉(zhuǎn)矩脈動,低速性能有較大的提高。

[1] 李夙.異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京:機械工業(yè)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(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[J].微特電機,2004(6):30-32.

[3] 黃禎祥,郭延文,廖劍霞,等.直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)磁鏈區(qū)間細分控制的應用[J].電力系統(tǒng)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(yè)出版社,1998.

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