异步电动机直接转矩控制转矩脉动的最小化研究

贺德华,刘国荣,韦婷华,徐美清,曹时德,周桂珍

(1.湘潭大学,湖南湘潭411105;2.湖南工程学院,湖南湘潭411101;3.南宁供电局,广西南宁530031)

0 引 言

直接转矩控制技术是一种新型的高性能异步电动机变频调速技术[1],最先由德国和日本的科研人员提出异步电动机直接转矩控制理论,它具有控制思路新颖、结构简单、响应迅速等优点,但实际应用当中,它还有一系列难以解决的问题:主要表现为电动机在低速时性能差,电流和转矩脉动比较大,这些问题的存在在很大程度上限制了直接转矩控制技术的发展。本文主要针对直接转矩控制技术中转矩脉动大的问题,运用先进的算法来实现系统的智能控制,进一步优化系统,从而减小系统运行时的转矩脉动。

传统的直接转矩控制是根据某个时刻的转矩误差eT和定子磁链误差eψ的情况,选择一个电压空间矢量,使eT和eψ限制在一个设定的比较小的范围内,这种控制模式具有响应快、结构和算法简单等优点。但在目前的实际应用中,由于数字控制系统中的一个采样周期内只有单一的电压空间矢量作用,而且只有七个不连续的空间电压矢量供控制系统选择,不可避免地会使转矩和磁链急剧的增加或减少。低速时受到定子电阻参数的影响脉动更加明显,在数字化中实现更加突出。

本文根据传统直接转矩控制的缺陷,提出了磁链区间细分法[2]与模糊控制相结合的方法,即在十二区段中运用矢量合成控制法使非零有效电压矢量增加到十二个电压矢量,并运用模糊控制优化电压矢量选择,并且对新提出的方案进行了仿真。结果表明,直接转矩控制新方案的性能得到比较明显改善。

1 异步电动机转矩脉动的分析

电动机的电磁转矩等于定子磁链和转子磁链的叉积,电动机的定子磁链幅值为一恒定值,而电动机的转子磁链幅值是由电机负载大小情况所决定。因此,可以通过改变磁通角大小来实现对异步电动机的转矩控制,即通过电压矢量的交替变换来实现对定子磁链旋转的角速度控制,同时由于转子磁链的角速度不能突变,这样通过控制定子磁链的角速度来实现对转矩的控制。直接转矩控制就是根据实时情况,选择一个最佳的控制矢量或者零矢量,使电机运行在最佳状态。

转矩波动的上限与下限变化宽度与控制系统的采样周期和电机的所加电压矢量有关。如果提高系统的采样周期,即提高功率开关元件的工作频率,能减小电动机的转矩脉动,但同时逆变器中的IGBT等一些功率元器件的开关损耗也会随之增加,发热也更厉害,也影响了系统的稳定运行。数字化控制系统中的采样周期和系统控制周期一般是固定不变的,所以在数字控制系统中,一个周期内只有一个电压矢量作用是造成电动机转矩脉动大的主要原因。

在常用的电压型逆变器中,系统只有一个零电压矢量和相隔60°空间角度分布的六个非连续非零电压矢量。而电动机的定子磁链是电压的积分,因此磁链角变化是连续不断的。由于电压的断续和磁链角连续造成了剧烈的磁通角变化,磁通角的剧烈变化是造成了直接转矩控制中转矩脉动的一个重要原因。

2 传统开关表的缺陷

传统直接转矩控制系统中采用两点式滞环比较器作为磁链控制器,用三点式滞环比较器作为转矩控制器,系统可以选择的电压矢量为七个电压矢量。其逆变器的电压开关状态选择表如表1所示。

表1 传统直接转矩控制电压矢量

传统直接转矩控制中的开关状态选择存在以下方面的缺陷[3]:首先由于没有考虑到电阻、电感等参数以及它们变化带来的影响,使开关表的某些电压矢量选择存在相矛盾或者错误的地方。其次是在一个扇区内可供选用的电压矢量数量有限,并且选择表中的电压矢量对定子磁链存在作用不平衡的问题。这些都是直接转矩控制系统当中电机转矩脉动大的重要因素。

3 空间电压矢量的合成和磁链区间细分

为了提高系统的控制性能,降低转矩脉动,可以利用空间矢量脉宽调制(SVPWM)的方法,使用两个矢量合成任意方向,任意幅值的电压矢量[4]。基于这种方法,本文利用相邻的2个矢量沿它们的角平分线方向再合成一个矢量如图1所示,可以将原来的6个电压矢量扩展到12个有效矢量分别为U1～U12,即6个基本矢量和6个合成矢量,同时为了便于选择,将整个区间重新划分12个磁链扇区,分别为θ1～θ12表示,每个扇区为30°。磁链区间及其对应空间电压矢量如图2所示。

图1 电压矢量的合成

图2 磁链区间及对应的电压矢量

4 模糊控制器设计[5]

模糊控制系统是以模糊推理和控制经验等作为基础,它的核心是模糊控制器。

4.1 模糊变量

模糊控制器的输入语言变量分别是电机定子磁链误差eψ、转矩误差eT和磁链角θ,输出量就是电压矢量。将eψ和eT分别模糊化为Eψ和ET。其中磁链误差Eψ包含{P、N、Z},它的隶属度函数如图3a所示,转矩误差ET包含{PL、PS、ZE、NS、NL},它的隶属度函数如图3b所示,为了避免出现开关选择错误的问题,并使磁链轨迹尽量为圆形,磁链角θ被均分为每个的12个子区间,它的模糊子集为{θ1,θ2,…,θ12},隶属度函数如图3c所示。模糊控制器的一维输出为离散的12个非零电压矢量和一个零电压矢量,它的模糊子集为{u0,u1,…,u11,u12},隶属度函数如图3d所示。

图3 输入输出量隶属度函数分布图

4.2 模糊规则

在直接转矩控制中,虽然增加了一倍的电压矢量供选择,但还是不能做到一种电压空间矢量同时满足转矩和磁链变化的需要。但实现定子圆形磁链轨迹比保持电磁转矩为给定值更容易,因此应首先考虑保持转矩为给定范围之内,在保证转矩保持在给定范围内的同时兼顾定子磁链的圆形轨迹[6]。模糊控制规则表述:

其中:X∈{N,Z,P};Y∈{PL,PS,ZE,NS,NL}

4.3 模糊推理

本文中的模糊控制系统采用Mamdani推理法,其隶属函数如下:

本文中的模糊控制系统的输出是单点模糊集,输出为:

本模糊控制器包含总共180条模糊规则,模糊控制如表2所示。

表2 模糊控制表

5 系统仿真及结果分析

5.1 系统仿真

系统仿真模型如图4所示。

图4 模糊直接转矩控制系统的仿真模型

仿真用的参数设定如下:Pn=3.7 kW,Un=460 V,f=60 Hz,Rr=0.228 Ω,RS=0.087 Ω,Ls=8 mH,Lr=0.8 mH,p=2,Lm=34.71 mH,J=1.662 kg·m2。

5.2 仿真及结果分析

由图5a、图5c、图5e可知,传统的直接转矩控制的转矩和定子磁链幅值都很大,转速有很大的超调量;图5b、图5d、图5f采用了磁链区间细分和模糊控制相结合的控制方法,从波形曲线可以看出,在同样的条件下,采用了区间细分和模糊控制相结合的控制方法的直接转矩控制比传统的方法有更好的动态响应。转矩和定子磁链脉动很小,无超调,保证了直接转矩系统优异的动静态响应性能。

6 结 语

磁链区间细分控制使得系统的控制更加精细,6个基本电压矢量和6个合成电压矢量都得到了比较充分的利用,克服了定子磁链幅值和磁通角变化时对系统转速与转矩的不利影响,运用模糊控制使系统运行平稳,提高了系统的动静态性能和鲁棒性,保证了直接转矩系统优异的动静态响应性能。仿真结果表明,本方法能有效地降低电动机的转矩脉动,低速性能有较大的提高。

[1] 李夙.异步电机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,1998.

[2] 祝龙记,王汝琳.采用矢量细分的异步电动机的直接转矩控制系统[J].微特电机,2004(6):30-32.

[3] 黄祯祥,郭延文,廖剑霞,等.直接转矩控制系统磁链区间细分控制的应用[J].电力系统及其自动化学报,2008,20(1):61-65.

[4] Habetler T G,Profumo F,Pastorelli M,et al.Direct torque control of induction machine using space vector modulation[J].IEEE Trans.on Industry Application,1992,28:1045-1053.

[5] 诸静.模糊控制原理与应用[M].北京:机械工业出版社,1998.

[6] 杨家强,黄进.异步电机直接转矩控制转矩脉动最小化方法研究[J].电工技术学报,2004,19(9):23-29.