基于幅值限定積分器的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

孟高軍

(東南大學(xué)，江蘇南京 210000)

0 引言

1985年，直接轉(zhuǎn)矩控制理論被德國(guó)魯爾大學(xué)的德彭布羅克教授首次提出。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在很大程度上解決了矢量控制中電機(jī)參數(shù)影響較大，旋轉(zhuǎn)變化非常復(fù)雜，以及實(shí)際中應(yīng)用和理論結(jié)果不一致的現(xiàn)象。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)誕生以后，由于具有新穎的控制思想，簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能而受到了普遍注意，得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。德國(guó)、日本、美國(guó)都開(kāi)始發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)，預(yù)計(jì)21世紀(jì)中旬會(huì)有較大發(fā)展［1］。

與矢量控制技術(shù)不同的是矢量控制誕生以后，很快應(yīng)用到了永磁同步電機(jī)上，直接轉(zhuǎn)矩控制提出以后，并沒(méi)在永磁同步電機(jī)上得到應(yīng)用［2-3］。直接轉(zhuǎn)矩控制開(kāi)始在永磁同步電機(jī)上應(yīng)用是在1998年由胡育文教授和湯立新博士提出永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論以后。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，需要計(jì)算定子磁鏈，構(gòu)成磁鏈自控制;需要定子磁鏈實(shí)現(xiàn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確觀測(cè);電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)需要定子磁鏈構(gòu)成磁鏈量的閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低速時(shí)定子磁鏈量的控制。因此，定子磁鏈的準(zhǔn)確獲得是實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)高性能的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)鍵因素之一。為此，學(xué)者們開(kāi)始進(jìn)行了更為深入的研究和拓展，形成了一系列新型改進(jìn)磁鏈觀測(cè)器。在各種改進(jìn)模型中，以Jun Hu和Bin Wu二人在1998年提出的一系列改進(jìn)觀測(cè)器較為全面［4］，本文主要介紹的是他們提出的幅值限定的積分器，并針對(duì)該積分器在系統(tǒng)應(yīng)用中存在的不足，提出了一種改造方案。

1 基于幅值限定積分器的直接轉(zhuǎn)矩控制

1.1 幅值限定積分器的原理和構(gòu)造

改進(jìn)型積分器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其輸入變量為反電勢(shì)，輸出變量為定子磁鏈。這種改進(jìn)積分器的基本思路可以通過(guò)式(1)來(lái)表示［5］:

圖1 幅值限定的積分器

式中:es——積分器輸入信號(hào);

yf——反饋信號(hào)。

這些觀測(cè)器采用反饋方式來(lái)改善磁鏈觀測(cè)精度。假設(shè)反饋信號(hào)為0的話，此時(shí)的積分器為一節(jié)慣性濾波器。若當(dāng)觀測(cè)器輸出y作為反饋信號(hào)，那么改進(jìn)積分器相當(dāng)于純積分器。故適當(dāng)選擇反饋信號(hào)，改進(jìn)積分器就會(huì)獲得較純積分器和一節(jié)慣性濾波器更為優(yōu)越的性能。

為了減小輸出定子磁鏈的相位失真，該積分器對(duì)觀測(cè)的定子磁鏈?zhǔn)噶糠颠M(jìn)行飽和限幅，而觀測(cè)的磁鏈相位不失真地反饋到輸入端，因此對(duì)信號(hào)相位沒(méi)有影響。該方案有效解決了磁鏈波形畸變問(wèn)題，從而改善了積分器輸出信號(hào)的質(zhì)量。但是該方案還存在磁鏈幅值及飽和基準(zhǔn)之間的設(shè)定問(wèn)題，磁鏈估計(jì)的準(zhǔn)確性仍然受到飽和限幅基準(zhǔn)選取的影響，且該算法要求電機(jī)磁鏈幅值恒定，不適用于電機(jī)磁鏈幅值變化的場(chǎng)合。

1.2 基于不同的直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真結(jié)果與比較

先對(duì)帶有純積分器的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制采用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真［6］，然后用幅值限定積分器代替原有的純積分器再次仿真，得出兩者的仿真結(jié)果，并進(jìn)行比較。圖2～圖5就是關(guān)于兩種不同積分器下的磁鏈軌跡和轉(zhuǎn)速波形。由圖可看出采用幅值限定的積分器的磁鏈軌跡更加圓滑，轉(zhuǎn)速波形更加平穩(wěn)。其中電機(jī)參數(shù)如下:np=4，Rs=2.70，Ld=0.6mH，Lq=3.0mH，ω=40 rad/s。從圖2～圖5可明顯看出，采用幅值限定積分器比用純積分器有更好的性能。如果不改變其他參數(shù)，把電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)脑瓉?lái)的 40 rad/s增大到100 rad/s，然后再觀察磁鏈軌跡和轉(zhuǎn)速波形，如圖6和圖7所示。

圖5 采用幅值限定積分器的轉(zhuǎn)速波形

從圖6、圖7可看出，轉(zhuǎn)速?zèng)]有改變之前相比磁鏈軌跡已經(jīng)不再圓滑，而轉(zhuǎn)速也已經(jīng)不再穩(wěn)定，出現(xiàn)了很大的波動(dòng)。通過(guò)閱讀資料和分析，可以得出出現(xiàn)這種情況的原因，下面對(duì)原因進(jìn)行具體分析。

由前文可知式(1)為幅值限定的改進(jìn)積分器的基本原理，以α相為例，可以把式(1)寫成如下形式:

如果假設(shè)ψ'α為tψα，其中t為常數(shù)且大于零，那么式(2)可化簡(jiǎn)為

對(duì)于不同的轉(zhuǎn)速所得到的電壓和電流的頻率是不同的，故所得到的電動(dòng)勢(shì)es的頻率也是不同的，即使截止頻率ωc相同，由式(3)可看出，所得到的ψα幅值仍然不同，由于ψα幅值不同，同理可得到ψβ幅值也是不相同的，最后可以推出對(duì)于幅值限定的改進(jìn)積分器所得到的磁鏈幅值|ψ|也是不相同的，但仍將其與保持不變的磁鏈給定值進(jìn)行比較，故將會(huì)造成控制性能下降甚至失敗的情況。

2 基于幅值限定積分器的改進(jìn)方案

2.1 改進(jìn)原理

針對(duì)上述情況，可以考慮運(yùn)用狀態(tài)方程來(lái)求得定子磁鏈幅值，然后與給定磁鏈進(jìn)行比較，這樣就可以避免上述不利因素，得到空間電壓矢量選擇表的一個(gè)輸入量，如果全部采用狀態(tài)方程，那么磁鏈的相位就無(wú)法確定，考慮到幅值限定的改進(jìn)積分器對(duì)于相位的確定是非常準(zhǔn)確的，所以仍然把幅值限定積分器作為確定磁鏈相位的工具，再加上狀態(tài)方程確定磁鏈幅值，兩者一起可以得到很好的效果。

永磁同步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的電壓和磁鏈的方程為

式中:ω——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角速度;

p——微分算子。

由式(4)和式(5)可得

2.2 改進(jìn)后的仿真模型和仿真結(jié)果

圖8為改造后的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，為了方便認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)于這個(gè)模型，做出了詳細(xì)的標(biāo)注。

圖8 改造后的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

針對(duì)上述改進(jìn)積分器下的直接轉(zhuǎn)矩控制模型進(jìn)行仿真，圖10和圖11分別為改進(jìn)之后，在100 rad/s的轉(zhuǎn)速下的磁鏈軌跡、轉(zhuǎn)速波形的仿真結(jié)果。通過(guò)改進(jìn)后的磁鏈軌跡和轉(zhuǎn)速波形可以很明顯地看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速變?yōu)?00 rad/s時(shí)，在幅值限定的改進(jìn)積分器下，直接轉(zhuǎn)矩控制仍保持了很好的性能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要是對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型建立和仿真結(jié)果進(jìn)行分析，首先對(duì)純積分器、幅值限定積分器，這兩種不同積分器下的直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行仿真，并且比較他們的磁鏈軌跡和轉(zhuǎn)速波形。如果不改變其他參數(shù)，把轉(zhuǎn)速提高到100 rad/s，幅值限定的積分器的性能和效果會(huì)變得很差，故提出了狀態(tài)方程和積分器共同作用，由狀態(tài)方程確定磁鏈幅值，由積分器來(lái)確定磁鏈相位，以取代之前只依靠積分器判斷磁鏈幅值和相位的方法。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)該方法改進(jìn)后取得了很好的效果。

［1］陳伯時(shí)，陸敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］ZHONG L，RAHMAN M F，HU W Y，et al.Analysis direct torque controller for permanent magnet synchronous motor drives［J］.IEEE Transactions Energy Conversion，1997，14(3):637-640.

［3］田淳，胡育文.永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)理論及控制方案的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，17(1):7-11.

［4］楊永明，孫才新，李新.局部放電在線監(jiān)測(cè)中干擾的識(shí)別及抑制方法的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，1999，20(3):242-243.

［5］HU J，WU B.New integration algorithms for estimating motor flux over a wide speed range［J］.IEEE Trans on PE，1998，13(5):969-977.

［6］李三東，薛花，紀(jì)志成，等.基于MATLAB永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真建模［J］.江南大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，21(2):44-45.