一種新型的異步電機(jī)SVM-DTC方法

郭忠林

(西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610039)

?

·機(jī)電工程·

一種新型的異步電機(jī)SVM-DTC方法

郭忠林

(西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610039)

為解決傳統(tǒng)SVM-DTC控制方法在低速時穩(wěn)定比較困難的問題，提出一種新型SVM-DTC控制方法。采用閉環(huán)控制的磁鏈估算新方法，克服在開環(huán)控制中磁鏈估算帶來的飽和或直流漂移等缺點；在空間矢量調(diào)制中用模糊控制器替代傳統(tǒng)的PI控制器，使轉(zhuǎn)矩誤差最小，保持恒定的開關(guān)頻率。實驗結(jié)果表明，在低速時，該方法比傳統(tǒng)方法的磁鏈脈動和轉(zhuǎn)矩脈動分別減少25 %和33 %，能消除直流漂移等問題，提高系統(tǒng)的控制性能。

空間矢量；直接轉(zhuǎn)矩控制；閉環(huán)定子磁鏈估算；模糊控制

直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control, DTC)具有動態(tài)響應(yīng)速度較快、對電機(jī)參數(shù)依賴性小、不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換等特點，在交流調(diào)速中得到大量應(yīng)用。為解決傳統(tǒng)DTC方案轉(zhuǎn)矩脈動大、開關(guān)頻率不穩(wěn)定等問題，出現(xiàn)了很多改進(jìn)的DTC控制方案?？臻g矢量調(diào)制技術(shù)(space vector modulation, SVM)是其中的一種。它可在不改變系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的條件下獲得更多連續(xù)變化的電壓空間矢量，如圖1所示。文獻(xiàn)[1]采用改進(jìn)的空間電壓矢量開關(guān)表以獲得最合適的電壓矢量從而得到更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩、磁鏈控制。文獻(xiàn)[2]根據(jù)定子磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差，應(yīng)用模糊邏輯控制得到電機(jī)期望的空間電壓矢量，獲得了較好的穩(wěn)態(tài)性能；但無法對PI參數(shù)進(jìn)行自整定，且在低速時控制性能較差。文獻(xiàn)[3]采用一種改善異步電動機(jī)定子磁鏈觀測器精度的方法，對于辨識定子電阻奠定了一定基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]將一簡單的SVM策略引入DTC系統(tǒng)中，采用空間調(diào)制獲得空間電壓矢量的優(yōu)化組合，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩、磁鏈誤差的精確補(bǔ)償。文獻(xiàn)[5]采用變結(jié)構(gòu)控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)矩脈動和磁鏈減小。這些空間矢量調(diào)制的應(yīng)用，均能夠提高DTC系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和魯棒性[6]。

為減小轉(zhuǎn)矩脈動、提高系統(tǒng)的控制性能，本文提出一種新的SVM-DTC方法。它一方面采用定子磁鏈閉環(huán)替代開環(huán)控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，另一方面在空間矢量調(diào)制中用模糊控制器替代了傳統(tǒng)的PI控制器，使轉(zhuǎn)矩脈動最小化，保持了恒定的開關(guān)頻率。實驗結(jié)果表明，該方法在低速下較常規(guī)的PI控制器性能更優(yōu)，魯棒性更強(qiáng)。

圖1　傳統(tǒng)的SVM-DTC結(jié)構(gòu)框圖

1　異步電機(jī)模型

異步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的表達(dá)式[6]為：

(1)

(2)

ψsdq=LsIsdq+LmIrdq；

(3)

ψrdq=LrIrdq+LmIsdq；

(4)

(5)

(6)

式中：Rs、Rr為定子和轉(zhuǎn)子電阻；Ls，Lr，Lm為定、轉(zhuǎn)子電感和互感；ψrdq為d-q坐標(biāo)系下的定、轉(zhuǎn)子磁鏈；ψsd,ψsq為d-q坐標(biāo)系下d軸和q軸的定子磁鏈；Isdq,Irdq為d-q坐標(biāo)系下定、轉(zhuǎn)子電流；Isd,Isq為d-q坐標(biāo)系下d軸和q軸的定子電流；p為極對數(shù)；Te、Tl為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩；ωs、ωr為定子、轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度；J為轉(zhuǎn)動慣量。

2　新型SVM-DTC的設(shè)計

2.1磁鏈觀測器的設(shè)計

由式(1)—(4)可得：

轉(zhuǎn)子磁鏈方程為

(7)

定子磁鏈方程為

(8)

將式(7)代入式(8)得

(9)

為修正定子磁鏈的幅值，補(bǔ)償在低速時純積分器帶來的磁鏈誤差，本文在新型磁鏈估算器中采用的PI控制器，如圖2所示，可得：

(10)

磁鏈誤差為

Δψs(s)=ψs(s)-ψs*(s)。

(11)

低通濾波器產(chǎn)生的交流成分的幅值和相移都要隨著輸入信號頻率ω的不同分別有不同的衰減。為克服這個缺點，在圖2設(shè)計了一種定子磁鏈閉環(huán)控制方法，即把ψsd、ψsq進(jìn)行笛卡兒坐標(biāo)到極坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，變換成幅值和相角信號，用飽和限幅器控制其輸出，解決在開環(huán)控制中磁鏈估算帶來的飽和或直流漂移等缺點，然后再通過極坐標(biāo)到笛卡兒坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換輸出保持原來反饋的相位和限幅的輸出。

通過這2次坐標(biāo)變換可有效地解決純積分器中直流限幅基準(zhǔn)選擇不當(dāng)使相位誤差增大，導(dǎo)致輸出信號波形畸變的問題。基于新型定子磁鏈模型估算的控制框圖如圖2所示。

由圖2可得在d-q坐標(biāo)系下定子磁鏈

(12)

式中：1/(s+ωc)為低通濾波器；ωc為截止頻率。

將式(10)、(11)代入式(12)可得

圖2新型磁鏈估算器

(13)

整理后得到：

(14)

(15)

整理式(15)，可得定子磁鏈傳遞函數(shù)，為

(16)

根據(jù)式(16)可得到閉環(huán)磁鏈估算結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3　閉環(huán)磁鏈結(jié)構(gòu)圖

在d-q坐標(biāo)系變換中：

ψs*(s)=ψsd·cosθs；

(17)

θs=ωsTs≌0。

(18)

由式(17)和(18)得到

ψs*(s)=ψsd。

(19)

將式(19)代入式(15)可得

(20)

整理后得到

(21)

由式(21)可得新型磁鏈估算器中PI控制器的參數(shù)：

(22)

(23)

2.2模糊控制器設(shè)計

在電壓模塊Usd、Usq的估算中，本文采用模糊控制器替代傳統(tǒng)PI控制器。在模糊控制器輸入方面，一是為減少轉(zhuǎn)矩脈動，將轉(zhuǎn)矩誤差ΔTe和轉(zhuǎn)矩誤差變化率dΔTe作為其中一個模糊控制器的輸入；二是為減少定子電流的諧波畸變，將定子磁鏈誤差Δψe和定子磁鏈誤差變化率dΔψe作為另一個模糊控制器的輸入。為使轉(zhuǎn)矩誤差最小化，轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差均歸一化在[-1，+1]之間，轉(zhuǎn)矩誤差變化率和磁鏈誤差變化率均歸一化在[-0.01，+0.01]之間，這樣可以有效減少轉(zhuǎn)矩脈動和保持恒定的開關(guān)頻率。其隸屬度函數(shù)、輸出電壓和模糊控制規(guī)則如圖4所示。

(a)轉(zhuǎn)矩誤差ET隸屬度函數(shù)

(b)轉(zhuǎn)矩誤差變化率dET隸屬度函數(shù)

(c)Usq輸出電壓隸屬度函數(shù)

dETETNBNSZZPSPBNBSSMMBNSSMMBVBZZMMBVBVBPSMBVBVBVVBPBBVBVBVVBVVB

(d)模糊控制器規(guī)則圖

(e)磁鏈誤差EF隸屬度函數(shù)

(f)磁鏈誤差變化率dEF變化率

(g)Usd輸出電壓隸屬度函數(shù)

dEFEFNBNSZZPSPBNBSSMMBNSSMMBVBZZMMBVBVBPSMBVBVBVVBPBBVBVBVVBVVB

(h)模糊控制器規(guī)則圖

圖4模糊控制器

2.3新型SVM-DTC結(jié)構(gòu)框圖

新型SVM-DTC對傳統(tǒng)SVM-DTC進(jìn)行了改進(jìn)，具體表現(xiàn)在：1)采用閉環(huán)控制的磁鏈估算新方法，以克服在開環(huán)控制中磁鏈估算帶來的飽和或直流漂移等缺點；2)在空間矢量調(diào)制中用模糊控制器替代傳

統(tǒng)的PI控制器，以減少轉(zhuǎn)矩誤差?；诟倪M(jìn)的磁鏈觀測器和模糊控制器的設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5　新型SVM-DTC結(jié)構(gòu)框圖

3　實驗

仿真時實驗參數(shù)[7]如表1所示。

表1　實驗參數(shù)

3.1實驗建模

為驗證新方法的可行性，利用MATLAB/Simulink對異步電機(jī)傳統(tǒng)的SVM-DTC和新型SVM-DTC進(jìn)行仿真[8-10]。為防止電機(jī)在啟動時反轉(zhuǎn)，在速度環(huán)上加了低通濾波器，設(shè)置截止頻率ωc=20 rad/s，采用ode23t算法，采樣步長為10 μs。仿真建模結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6新型SVM-DTC仿真建模圖

3.2實驗結(jié)果

從圖(7)—(9)可以看出：在磁鏈軌跡曲線中傳統(tǒng)方法磁鏈寬度大體成一個圓形，磁鏈誤差為0.05 Wb，圓邊上有很多不規(guī)則的毛刺，新型SVM-DTC磁鏈軌跡則是一個相對規(guī)則平滑的圓形，磁鏈誤差僅為0.02 Wb，磁鏈誤差減少了150 %；在速度曲線中，傳統(tǒng)方法在0.2 s達(dá)到穩(wěn)定前有一個抖動，在2.2 s后有不穩(wěn)定的抖動，新型SVM-DTC方法轉(zhuǎn)子在0.2 s便達(dá)到了穩(wěn)定，且一直保持穩(wěn)定；在轉(zhuǎn)矩誤差曲線中，傳統(tǒng)的SVM-DTC在2.2 s后由0.2 N·m變化到了-2 N·m，導(dǎo)致功率器件開關(guān)頻率變化，控制性能變差，新型SVM-DTC在啟動后很快便達(dá)到了0.2 N·m，且一直保持穩(wěn)定，能保持一個穩(wěn)定的開關(guān)頻率。

(a)傳統(tǒng)SVM-DTC磁鏈軌跡

(b) 新型SVM-DTC磁鏈軌跡圖7　傳統(tǒng)SVM-DTC和新型SVM-DTC磁鏈軌跡

(a)傳統(tǒng)SVM-DTC轉(zhuǎn)子速度響應(yīng)

(b) 新型SVM-DTC轉(zhuǎn)子速度響應(yīng)

圖8傳統(tǒng)SVM-DTC和新型SVM-DTC轉(zhuǎn)子速度響應(yīng)

(a)傳統(tǒng)SVM-DTC轉(zhuǎn)矩誤差曲線

(b) 新型SVM-DTC轉(zhuǎn)矩誤差曲線圖9　傳統(tǒng)SVM-DTC和新型SVM-DTC轉(zhuǎn)矩誤差曲線

為進(jìn)一步驗證在低速時新型SVM-DTC的控制性能，仿真時將轉(zhuǎn)速ωr設(shè)置為25 rad/s，其仿真結(jié)果如圖(10)—(13)所示。

圖10　磁鏈軌跡

圖11　轉(zhuǎn)子速度響應(yīng)曲線

圖12　電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖13　轉(zhuǎn)矩誤差曲線

從圖(10)—(13)可以看出，電機(jī)在低速時(25 rad/s)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩能在很短時間內(nèi)得到響應(yīng)，磁鏈誤差為0.04 Wb，磁鏈脈動減小了25 %，轉(zhuǎn)矩誤差僅為0.15 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動減小了33%。

4　結(jié) 論

本文提出一種新型SVM-DTC的方法，一方面采用閉環(huán)控制的磁鏈估算方法，克服了在開環(huán)控制中磁鏈估算帶來的飽和和直流漂移等缺點，另一方面在空間矢量調(diào)制中用模糊控制器替代了傳統(tǒng)的PI控制器，使轉(zhuǎn)矩脈動最小化，保持了恒定的開關(guān)頻率。仿真結(jié)果表明，新型SVM-DTC動態(tài)響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動都得到了減小，在低速時能夠得到較理想的控制性能。該設(shè)計為更深入實際地研究直接轉(zhuǎn)矩控制的應(yīng)用開辟了新思路。

[1]Tiitinen P,surandra M.The Next Generation Motor Control Method,DTC Direct Torque Control [C]// International Conference on Power Electronics,Drives and Energy Systems for Industrial Growth. New York,USA:IEEE, 1995:890-898.

[2]胡子凡，陳林.一種基于模糊邏輯的直接轉(zhuǎn)矩控制算法[J].電氣傳動，2005，35(12)：8.

[3]陳暉，梅柏衫.一種改善異步電動機(jī)定子磁鏈觀測器精度的方法研究 [J].微電機(jī)，2009，42(4)：11.

[4]孫丹，賀益康.基于恒定開關(guān)頻率空間矢量調(diào)制的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 [J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2005， 25(12)：112.

[5]王煥鋼，徐文立,黎堅,等.一種新型的感應(yīng)電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 [J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2004， 24(1)：107.

[6]周楊忠，胡育文.交流電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：42-56.

[7]Hassan Farhan Rashag, Koh S P ,Ahmed N Abdalla. Modified Direct Torque Control using Algorithm Control of Stator Flux Estimation and Space Vector Modulation Based on Fuzzy Logic Control for Achieving High Performance from Induction Motors[J].IEEE Journal of Power Electronics, 2013,13(3):369.

[8]Brahmananda Reddy T, Kalyan Reddy B, Amarnath J, et al. Sensorless Direct Torque Control of Induction Motor Based on Hybrid Space Vector Pulse Width Modulation to Reduce Ripples and Switching Losses :A Variable Structure Controller Approach[J]. IEEE Power India Conference, 2006,26(7):1954.

[9]Habetler T G, Divan D M. Control Strategies for Direct Torque Control Using Discrete Pulse Modulation[J]. IEEE Trans Ind,1991,27 ( 5):893.

[10]Casadei D, Grandi G, Serra G, et al.Effects of Flux and Torque Hysteresis Band Amplitude in Direct Torque Control of Induction Machines[C]//20th International Conference on Industrial Electronics Control and Instrumentation (IECON). Bologna: IEEE,1994:299-304.

(編校：饒莉)

A Novel SVM-DTC Method for Asynchronous Motor

GUO Zhonglin

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

A kind of SVM-DTC approach is presented to overcome the shortcoming of conventional SVM-DTC ways, i.e., stable difficulty in low speed. As for the proposed approach, closed loop control is utilized to estimate stator flux and this can overcome the drawbacks of the stator flux estimation in open loop control, such as flux saturation and dc drift. And fuzzy logic controller replaces the conventional PI controller to minimize the torque ripple and remain a constant switching frequency. The simulation results show that the proposed control method can decrease the flux ripple and torque ripple by 25 % and 33 % respectively, and eliminate dc drift in low-speed, and improve the system control performance.

space vector modulation；direct torque control；the closed loop stator flux estimation；fuzzy logic control

2015-07-20

四川省信號與信息處理重點實驗室開放課題資助(szjj2014-021)。

郭忠林(1978—)，男，講師，碩士，主要研究方向為電力電子與電力傳動。E-mail :14023027@qq.com

TM343

A

1673-159X(2016)04-0092-6

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.04.019