異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制磁鏈區(qū)間細(xì)分方法

王英，?；劬?/p>

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

直接轉(zhuǎn)矩控制用空間矢量分析的方法，在二相靜止坐標(biāo)系下計(jì)算并控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，借助磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)產(chǎn)生逆變器開關(guān)信號(hào)，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能，解決了控制系統(tǒng)特性易受電機(jī)參數(shù)變化影響的問(wèn)題［1-3］.在傳統(tǒng)6扇區(qū)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，低速時(shí)由于考慮定子電阻壓降的影響，實(shí)現(xiàn)磁鏈位置角的精確計(jì)算比較困難，如果在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)選用一個(gè)電壓矢量來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩的增加或減小，會(huì)導(dǎo)致磁鏈軌跡畸變，在扇區(qū)分界線附近尤為明顯，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能［4］.文獻(xiàn)［5-6］采用常規(guī)的12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法，將6扇區(qū)的每個(gè)扇區(qū)平分為兩個(gè)扇區(qū)，雖然改善了傳統(tǒng)6扇區(qū)控制方法的磁鏈內(nèi)陷問(wèn)題，提高了響應(yīng)速度，但并沒有完全解決由于磁鏈觀測(cè)不精確而選擇容易錯(cuò)誤的空間電壓矢量的問(wèn)題.本文分析研究了改進(jìn)12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法和常規(guī)12扇區(qū)細(xì)分方法，建立了Matlab環(huán)境下兩種磁鏈細(xì)分方法的DTC系統(tǒng)仿真模型，理論分析和仿真試驗(yàn)表明，改進(jìn)的12區(qū)間磁鏈控制方法在磁鏈觀測(cè)不夠精確的情況下能表現(xiàn)出更好的控制性能，磁鏈幅值能始終保持在容差范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較常規(guī)12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法有明顯減小.

1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩也就是定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈相互作用的結(jié)果，可寫成如下形式:

由上式可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值及磁通角有關(guān).實(shí)際運(yùn)行中，為了充分利用鐵心，通常保持定子磁鏈幅值為恒定值，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定.因此，通過(guò)改變磁通角的大小就可以改變電磁轉(zhuǎn)矩.由于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)變化較定子緩慢，通過(guò)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度即可改變磁通角的大小，電機(jī)的定子磁鏈和定子電壓存在積分關(guān)系，因此可以選擇合適的電壓空間矢量來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變磁通角的大小，以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的.

圖1為異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的原理圖，將電機(jī)檢測(cè)出的轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速比較，通過(guò)PID調(diào)節(jié)器生成目標(biāo)轉(zhuǎn)矩指令，檢測(cè)出的定子電壓及電流，通過(guò)磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器得出定子磁鏈觀測(cè)值和實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)調(diào)節(jié)，根據(jù)定子磁鏈所在區(qū)域，不斷切換逆變器的開關(guān)狀態(tài)使定子磁鏈軌跡逼近于圓形，并通過(guò)零狀態(tài)電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來(lái)改變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及其變化率，使異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈能同時(shí)按要求變化.

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖

2 12扇區(qū)的磁鏈區(qū)間細(xì)分方法

2.1 常規(guī)的12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法

圖2為傳統(tǒng)6扇區(qū)磁鏈軌跡劃分圖，由圖可以看出，電壓空間矢量U3在扇區(qū)S2內(nèi)的作用是增加磁鏈幅值，增加轉(zhuǎn)矩，而在扇區(qū)S1內(nèi)的作用是減小磁鏈，增加轉(zhuǎn)矩，電壓空間矢量U3方向正好與S1和S2分界線垂直，因此在兩扇區(qū)分界即磁鏈位置角為π/6處，磁鏈位置估計(jì)上有一點(diǎn)誤差就會(huì)使系統(tǒng)選擇錯(cuò)誤的電壓空間矢量.例如由磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)判斷需要減小磁鏈，磁鏈實(shí)際運(yùn)行在扇區(qū)S2，但由于定子電阻的影響，在磁鏈觀測(cè)上有誤差，錯(cuò)誤地認(rèn)為磁鏈運(yùn)行在扇區(qū)S1，從而選擇了空間電壓矢量U3來(lái)減少磁鏈，但事實(shí)卻增加了磁鏈幅值，使磁鏈幅值更大，從而造成了磁鏈較大的脈動(dòng)，使磁鏈軌跡在扇區(qū)分界線附近嚴(yán)重畸變.

由以上分析可知，采用6扇區(qū)的電壓矢量選擇表，在扇區(qū)分界線附近，對(duì)磁鏈的估計(jì)要求非常嚴(yán)格.而考慮定子電阻變化的影響，很難實(shí)現(xiàn)磁鏈位置的準(zhǔn)確觀測(cè).

此外，一個(gè)扇區(qū)內(nèi)，定子電壓對(duì)定子磁鏈作用是不平衡的［7］，導(dǎo)致定子磁鏈軌跡在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)并非均勻變化，在區(qū)段分界線附近尤為明顯.這將導(dǎo)致磁鏈軌跡不再接近圓形，從而引起電流畸變，系統(tǒng)性能變差.文獻(xiàn)［5-6］針對(duì)定子電壓對(duì)磁鏈作用不平衡這一問(wèn)題，采用一種常規(guī)的12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法改進(jìn)了這一問(wèn)題.

圖2 6扇區(qū)磁鏈軌跡劃分圖

圖3 常規(guī)12扇區(qū)磁鏈軌跡劃分圖

常規(guī)的12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法將原來(lái)的一個(gè)扇區(qū)平分為兩個(gè)扇區(qū)，以［0，π/6］為第一扇區(qū)，使每個(gè)扇區(qū)可供選擇的電壓矢量由原來(lái)的兩個(gè)變?yōu)榱怂膫€(gè)，用到了傳統(tǒng)6扇區(qū)劃分時(shí)無(wú)法用到的電壓矢量U1和U4，但它只是減小了在扇區(qū)分界線處選擇錯(cuò)誤空間電壓矢量的概率，并沒有完全避免這種情況的發(fā)生.如圖3所示，在扇區(qū)S1，需要增大磁鏈，增大轉(zhuǎn)矩時(shí)，可選擇U1或U2，在扇區(qū)S2，同樣的情況可選擇U2，為了避免在這兩個(gè)扇區(qū)分界線處磁鏈觀測(cè)有誤差，則只能舍棄U1.在這兩個(gè)扇區(qū)里都選擇U2來(lái)增大磁鏈增大轉(zhuǎn)矩.而U2在S12內(nèi)的作用是減小磁鏈，增大轉(zhuǎn)矩，與在S1扇區(qū)內(nèi)對(duì)磁鏈的作用相反，這樣，如果在S1和S12的分界線處磁鏈區(qū)間判斷錯(cuò)誤，就會(huì)選擇錯(cuò)誤的空間電壓矢量，原本要增大磁鏈結(jié)果卻減小了磁鏈，造成磁鏈軌跡畸變.

2.2 改進(jìn)的12扇區(qū)的磁鏈細(xì)分方法及改進(jìn)的電壓空間矢量選擇表

改進(jìn)的磁鏈細(xì)分方法如圖4所示，圖中第1扇區(qū)為［－12/π，12/π］，由圖可以看出，改進(jìn)的扇區(qū)劃分避免了扇區(qū)分界線與電壓矢量垂直的情況，選擇電壓矢量時(shí)同樣也用到了電壓空間矢量U1和U4，避免了常規(guī)12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法在扇區(qū)分界線處因?yàn)閾?dān)心扇區(qū)判斷錯(cuò)誤而不知道選擇哪個(gè)電壓矢量的困擾，解決了在扇區(qū)分界線處由于磁鏈位置判斷不夠精確而容易選擇錯(cuò)誤的空間電壓矢量的問(wèn)題.

圖4 改進(jìn)12扇區(qū)磁鏈軌跡劃分圖

根據(jù)改進(jìn)的磁鏈扇區(qū)劃分方法制定的空間電壓矢量選擇表如附表所示.

附表 優(yōu)化的12扇區(qū)空間電壓矢量選擇表

3 仿真試驗(yàn)及結(jié)果

在MATLAB/Simulink下建立異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示，測(cè)得異步電動(dòng)機(jī)定子電壓和電流，經(jīng)坐標(biāo)變換后送到磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器，系統(tǒng)中定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩由磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器得到，電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定信號(hào)進(jìn)行比較后加到PI調(diào)節(jié)器，由PI調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定信號(hào).磁鏈區(qū)間判別單元將定子磁鏈分成12個(gè)扇區(qū)，再綜合磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，運(yùn)用空間電壓開關(guān)表和MATLAB函數(shù)選擇空間電壓矢量.通過(guò)改變模型中的MATLAB函數(shù)和設(shè)置不同的空間電壓矢量選擇表來(lái)分別對(duì)采用兩種方法的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析.

圖5 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型

仿真所用異步電機(jī)參數(shù)為:額定頻率PN=3730 W，額定電壓UN=460 V，額定頻率fN=60 Hz，定子電阻 Rs=1.115 Ω，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=1.083 Ω，定子電感 Ls=0.005 974 H，轉(zhuǎn)子電感 Lr=0.005 974 H，互感 Lm=0.203 7 H，極對(duì)數(shù) np=2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=0.02 kg·m2，Ψ*=0.5 Wb，εΨ=0.1 Wb，εT=1 N·m.

仿真時(shí)，ω*r=200 rad/min，仿真時(shí)間為0.25 s，在0.1 s時(shí)，突加TL=5 N·m 的負(fù)載.

圖6為當(dāng)定子磁鏈相位角觀測(cè)誤差為 ±π/12時(shí)的兩種磁鏈細(xì)分方法的磁鏈軌跡和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線，從波形可以看出，采用常規(guī)的12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法在磁鏈相位角觀測(cè)有誤差的情況下，磁鏈軌跡在部分扇區(qū)分界線處有明顯畸變，此時(shí)表現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩響應(yīng)上，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯增大，最大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為12.5%.采用改進(jìn)的12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法體現(xiàn)了較大的優(yōu)勢(shì)，磁鏈幅值始終保持在容差范圍之內(nèi)，并不受磁鏈觀測(cè)精確度的影響，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較常規(guī)12扇區(qū)磁鏈細(xì)分方法有明顯減小，減小為6.25%.總之，采用改進(jìn)的12區(qū)間磁鏈細(xì)分方法具有更好控制性能.

圖6 磁鏈觀測(cè)有誤差時(shí)兩種磁鏈細(xì)分方法的磁鏈軌跡和轉(zhuǎn)矩特性

4 結(jié)論

本文分析比較了兩種磁鏈細(xì)分方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并分別對(duì)采用此兩種方法的異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真.理論分析和仿真結(jié)果均表明，常規(guī)的12扇區(qū)細(xì)分方法控制有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，但在磁鏈觀測(cè)不夠精確時(shí)磁鏈軌跡會(huì)發(fā)生畸變，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，改進(jìn)方法在任何情況下都能表現(xiàn)良好的性能.

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