基于PI調(diào)節(jié)器的空間電壓矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制仿真

徐志佳

【摘要】 采用磁鏈PI調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器分別得到定子電壓x軸分量和y軸分量，再利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換獲得參考電壓矢量在二維靜止坐標(biāo)系α-β的分量，然后構(gòu)建空間電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）模塊，SVPWM模塊輸出控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)。在SIMULINK平臺下仿真驗證了該方法的有效性，并分析了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)和逆變器開關(guān)周期對系統(tǒng)性能的影響。

【關(guān)鍵詞】 直接轉(zhuǎn)矩控制 PI調(diào)節(jié)器 空間電壓矢量調(diào)制

由德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授于1985年提出的直接轉(zhuǎn)矩控制，直接去控制異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和電機定子磁鏈，而刪去電流閉環(huán)有更好的動態(tài)性能[1]。然而，直接轉(zhuǎn)矩控制其經(jīng)典模型固有的缺陷一直阻礙著直接轉(zhuǎn)矩控制的進一步發(fā)展，主要問題是：定子磁鏈估計不準(zhǔn)確、電磁轉(zhuǎn)矩脈動較大等[2]。本文提出一種基于PI調(diào)節(jié)器的空間電壓矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制方法，并對其仿真驗證。

一、直接轉(zhuǎn)矩控制原理

直接轉(zhuǎn)矩控制的基本控制方法就是通過電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，控制定子磁鏈走走停停，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而改變磁通角θ的大小，以達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的[3]。圖1是傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的整體框圖。從圖中可以看出，把給定轉(zhuǎn)速n*與電機實際轉(zhuǎn)速n的差值作為速度調(diào)節(jié)器的輸入，輸出得到給定電磁轉(zhuǎn)矩T，再將給定電磁轉(zhuǎn)矩T與估計的電磁轉(zhuǎn)矩T之差經(jīng)過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號TQ，給定的定子A磁鏈幅值

與磁鏈估計器得到的估計定子磁鏈幅值ψ

之差通過磁鏈調(diào)節(jié)器輸出磁鏈開關(guān)信號ψQ，結(jié)合定子磁鏈所在的扇區(qū)N，綜合選擇最優(yōu)的開關(guān)表控制逆變器的開關(guān)電壓矢量信號，快速控制電機的。

二、本文提出的方案及仿真實現(xiàn)

與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制相比，本文采用的磁鏈PI調(diào)節(jié)器是將給定的定子磁鏈幅值ψ

與磁鏈估計器得到的估計定子磁鏈幅值ψ

之差作為輸入，輸出得到以ω旋轉(zhuǎn)的x-y坐標(biāo)系下的定子電壓x軸分量U，轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器是將給定的電磁轉(zhuǎn)矩T與估計的電磁轉(zhuǎn)矩T之差作為輸入，得到以ω旋轉(zhuǎn)的x-y坐標(biāo)系下的定子電壓y軸分量 U。然后根據(jù)式1和式2得到參考電壓矢量在二維靜止坐標(biāo)系α-β的分量u、u。其中，ω和θ分別為定子磁鏈相對靜止α軸的角速度和磁鏈角。

把開關(guān)周期T、參考電壓矢量在二維靜止坐標(biāo)系α-β的分量u、u作為輸入，構(gòu)建空間電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）模塊，如圖2所示。

根據(jù)表1判斷參考電壓所在的扇區(qū)：

由表2和表3確定各扇區(qū)的矢量作用時間：

根據(jù)式4逆變器的開關(guān)時刻，使得逆變器的開關(guān)頻率保持恒定。

三、仿真實驗結(jié)果與分析

對表4所示參數(shù)的異步電機進行仿真測試。給定定子磁鏈Ψ=0.95Wb，圖3-a和3-b分別為傳統(tǒng)DTC和改進DTC的定子磁鏈幅值波形，分別于26ms和6ms定子磁鏈幅值達到給定值，改進DTC策略能有效提高磁鏈的動態(tài)響應(yīng)，并減小定子磁鏈脈動。

在0.02s時給定轉(zhuǎn)速為100r/min，圖4-a和圖4-b分別為傳統(tǒng)DTC和改進DTC的速度曲線，傳統(tǒng)DTC在0.028s轉(zhuǎn)速到達100r/min，而改進DTC在0.023s轉(zhuǎn)速到達100r/min，從圖直觀得可以看出改進DTC的超調(diào)量大大減小，說明后者具有更好的轉(zhuǎn)速動態(tài)性能。

給定轉(zhuǎn)矩0N.m（0s，0.6s），8 N.m（0.6s，0.7s），0 N.m（0.7s，1s）。圖5-a和圖5-b分別為傳統(tǒng)DTC和改進DTC的電磁轉(zhuǎn)矩波形，改進DTC明顯減小了轉(zhuǎn)矩的波動范圍，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動。

下面分析下速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)和逆變器開關(guān)周期Tsw對改進DTC系統(tǒng)的影響。速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為Kp，積分系數(shù)為Ki；控制器采樣周期Ts=10μs；轉(zhuǎn)矩給定0 N.m（0s，0.2s），8 N.m（0.2s，0.25s），0 N.m（0.25s，0.3s）；在0.02s時給定轉(zhuǎn)速為100r/min；額定轉(zhuǎn)矩35N.m，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度設(shè)為1%*35=0.35，磁鏈滯環(huán)寬度設(shè)為1%*0.95≈0.01。圖6-a、6-b、6-c、6-d、6-e分別為不同比例系數(shù)、積分系數(shù)和逆變器開關(guān)周期的轉(zhuǎn)速波形和電磁轉(zhuǎn)矩波形。曲線1為給定轉(zhuǎn)速，曲線2為實際轉(zhuǎn)速，曲線3為實際電磁轉(zhuǎn)矩，曲線4為給定電磁轉(zhuǎn)矩。比較這5個圖形，不難得出結(jié)論：比例系數(shù)Kp過大，加劇轉(zhuǎn)矩波動，過小，速度靜差調(diào)節(jié)過慢，而變頻器頻率的提高有助于減小轉(zhuǎn)矩波動。

四、結(jié)論

基于PI調(diào)節(jié)器的空間電壓矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制方法，在一個控制周期中不再單純使用一個電壓矢量，使得開關(guān)頻率穩(wěn)定，并且可有效提高定子磁鏈的動態(tài)響應(yīng)，抑制定子磁鏈脈動和電磁轉(zhuǎn)矩脈動，減小轉(zhuǎn)速上升時間和超調(diào)量，具有更好的轉(zhuǎn)速動態(tài)性能。速度環(huán)比例系數(shù)Kp過大，加劇轉(zhuǎn)矩波動，過小，速度靜差調(diào)節(jié)過慢，而變頻器頻率的提高有助于減小轉(zhuǎn)矩波動。

參 考 文 獻

[1] 胡育文. 異步電機（電動、發(fā)電）直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[M]. 機械工業(yè)出版社，2012.

[2] 孫振川. 異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制理論和技術(shù)的研究[D]. 山東大學(xué)，2008.

[3] 李夙. 異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制[M]. 機械工業(yè)出版社，2001.