基于SVPWM矢量控制的模擬柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

馮俊 李志俊 王萌 高磊 王浩

摘 要：將模糊控制器與模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)相結(jié)合，組成基于模型參考的自適應(yīng)模糊控制器，通過SVPWM算法，建立以柴油機(jī)為參考模型的異步電機(jī)SVPWM矢量控制系統(tǒng)仿真模型，并在MATLAB平臺對該模型進(jìn)行了仿真實驗，驗證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：異步電機(jī);矢量控制;SVPWM技術(shù)

0 引言

在實驗室條件下，為了研究柴油發(fā)電機(jī)在不同負(fù)載下的輸出特性，可采用一定的控制算法通過控制交流異步電機(jī)帶動發(fā)電機(jī)工作。本文提出了一種基于SVPWM矢量控制技術(shù)的柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，可實現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制，使其達(dá)到與柴油機(jī)相同的輸入輸出特性。

1 模糊自適應(yīng)控制器的設(shè)計

1.1? ? 基于模型參考的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)

將模糊控制器與模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)相結(jié)合，組成基于模型參考的自適應(yīng)模糊控制器，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在每個采樣周期中，整個系統(tǒng)通過計算參考模型的輸出ym與實際輸出yr的差值e以及差值的變化率ec，利用模糊控制算法得到控制器參數(shù)調(diào)整量，對被控對象控制器參數(shù)加以修正，隨著模糊自適應(yīng)機(jī)構(gòu)內(nèi)模糊控制算法的調(diào)整，不斷減小差值e，最終使得實際輸出無限趨近于參考模型的輸出。

1.2? ? 模糊自適應(yīng)控制器的設(shè)計

如圖1所示，模糊自適應(yīng)控制器以柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的輸出差值e與差值的變化率ec作為輸入，通過模糊規(guī)則實現(xiàn)控制器參數(shù)的整定與更新，使系統(tǒng)達(dá)到理想狀態(tài)。

2 基于SVPWM的矢量控制系統(tǒng)

2.1? ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用帶轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)研究異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，如圖2所示。對檢測得到的異步電機(jī)三相交流電流iA、iB、iC（實際只用檢測兩相）進(jìn)行3/2變換后，轉(zhuǎn)換成在α-β坐標(biāo)系上的交流電流isα、isβ，然后通過2s/2r變換，變換成在m-t坐標(biāo)系上的直流電流ism、ist，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與磁通的獨立控制。定子電流勵磁分量調(diào)節(jié)器ACMR和定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器ACTR均采用PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成電流閉環(huán)控制。電流調(diào)節(jié)器的輸入為電流的差值，輸出為定子電壓給定值u*sm、u*st，經(jīng)過2r/2s變換得到α-β坐標(biāo)系下的定子電壓給定值u*sα、u*sβ，然后利用SVPWM技術(shù)控制逆變器的開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)，控制電機(jī)調(diào)速。最后將電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速ω與給定的轉(zhuǎn)速ω*的差值作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入，構(gòu)成閉環(huán)控制;同時將通過計算得到的轉(zhuǎn)子磁鏈ψr與給定的轉(zhuǎn)子磁鏈ψ*r的差值作為轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器AΨR的輸入來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈的閉環(huán)控制。

2.2? ? SVPWM算法實現(xiàn)

當(dāng)定子繞組通入三相正弦對稱電壓時兩軌跡重合，此時磁鏈圓的轉(zhuǎn)速即為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，空間電壓矢量Us的模us即為相電壓的幅值，角速度即為正弦波的角頻率。對于SVPWM的調(diào)制，是以α-β坐標(biāo)系的電壓usα、usβ和PWM波的周期為輸入，主要計算過程如下：

2.2.1? ? 判斷空間電壓矢量所在扇區(qū)

將空間電壓合成矢量Us分解投影到α-β坐標(biāo)系下得到電壓Uα、Uβ，通過判斷Uα、Uβ的正負(fù)和比值，即可得到Us所處的扇區(qū)。計算總結(jié)出以下3個變量：

A=UβB=Uα-UβC=-Uα-Uβ（1）

再定義：當(dāng)A>0時，a=1，否則a=0;當(dāng)B>0時，b=1，否則b=0;當(dāng)C>0時，c=1，否則c=0;

令扇區(qū)判斷參數(shù)：

N=a+2b+4c（2）

則可通過查表得到空間電壓矢量Us所在的扇區(qū)。

2.2.2? ? 計算基本電壓矢量作用時間

由伏秒平衡原理可知：

UsTPWM=UMT1+UNT2（3）

式中，TPWM為PWM波的周期;UM、UN分別為目標(biāo)矢量所在扇區(qū)對應(yīng)的兩個邊界矢量;T1、T2為UM、UN對應(yīng)的作用時間。

由矢量合成及正弦定理推導(dǎo)出不同扇區(qū)對應(yīng)的作用時間如表1所示。

其中：

X=UβY=Uα+UβZ=Uα+Uβ（4）

為了保證每個周期內(nèi)的作用時間相等，需配合零矢量使總的作用時間恒定，即在一個完整的TPWM周期中，TPWM=T1+T2+T0;若作用時間T1+T2>TPWM，則取T1′=，T2′=。其中，T0為零電壓矢量的作用時間。

2.2.3? ? PWM波形及空間電壓矢量的分布

在計算了所在的扇區(qū)和作用時間后，還需安排其分布與作用順序。

對不同的扇區(qū)，3對晶體管的開關(guān)時間不同，因此會得到不同的空間矢量。3對晶體管的開關(guān)時間可由表2和式（5）計算得到。

其中：

TA=TB=TA+TC=TB+（5）

將計算出的矢量切換時間tcm1、tcm2、tcm3與三角波進(jìn)行比較后即得各個扇區(qū)SVPWM的波形時序。

3 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

為了使異步電機(jī)能表現(xiàn)出與柴油機(jī)一致的輸出特性，將柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為參考模型，異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為被控對象，以柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速的差值作為模糊自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸入信號，通過控制模糊自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的控制算法，實現(xiàn)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的模擬跟隨。在MATLAB/Simulink平臺上建立了基于柴油機(jī)模型參考的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型。

對不同工況下系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，曲線圖中實線表示柴油機(jī)參考模型調(diào)速系統(tǒng)的輸出曲線，虛線表示異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的輸出曲線，仿真結(jié)果如下。

3.1? ? 突增突降給定轉(zhuǎn)速

設(shè)定初始給定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，待控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，在8 s時突降給定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，15 s時突增給定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，仿真結(jié)果與對比如圖3所示。

當(dāng)給定轉(zhuǎn)速突增或突降時，整個控制系統(tǒng)的輸出與柴油機(jī)參考系統(tǒng)的輸出差異不大，異步電機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定時間也與柴油機(jī)參考系統(tǒng)相近，整個控制系統(tǒng)的輸出都能快速響應(yīng)，緊跟參考系統(tǒng)調(diào)節(jié)自身轉(zhuǎn)速，并能在新的給定轉(zhuǎn)速下保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2? ? 突加突減對稱給定負(fù)載

在額定轉(zhuǎn)速下，待控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，在10 s時先突加100%負(fù)載，15 s時再突減100%負(fù)載，系統(tǒng)仿真結(jié)果與對比如圖4所示。

當(dāng)突加負(fù)載或突減負(fù)載時，整個控制系統(tǒng)的輸出都能緊跟柴油機(jī)參考系統(tǒng)的輸出，并能在較短的調(diào)整時間內(nèi)重新達(dá)到給定轉(zhuǎn)速值。

仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速與柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速基本相同，符合預(yù)期結(jié)果。

4 結(jié)語

本文結(jié)合SVPWM矢量控制技術(shù)，實現(xiàn)了對異步電動機(jī)的控制，并在MATLAB平臺對該模型進(jìn)行了仿真實驗，驗證了該方法的可行性。該模擬系統(tǒng)不僅能運用于自行火炮輔機(jī)電源及電氣管理控制系統(tǒng)中，還為其他需要柴油機(jī)參與的研究提供了思路，筆者也將在相關(guān)領(lǐng)域繼續(xù)研究，以求進(jìn)一步提出新的研究設(shè)想與方法。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 韋佳輝，陳國光，王波，等.現(xiàn)代自行火炮系統(tǒng)的特點與發(fā)展展望[J].機(jī)械工程與自動化，2015（2）：223-224.

[2] 田濤.內(nèi)燃機(jī)車用高強(qiáng)化柴油機(jī)現(xiàn)狀分析及發(fā)展前景[J].機(jī)電信息，2016（6）：104-105.

收稿日期：2019-12-03

作者簡介：馮?。?994—），男，湖北人，研究方向：智能控制理論與應(yīng)用。