异步电机直接转矩控制的ISR方法研究

2011-03-26 13:48:40来源: 互联网

1 引言

目前,矢量控制(vc)和直接转矩控制(dtc)已经被人们公认为是高性能的交流变频调速技术。矢量控制系统采用转子磁链定向,实现了定子电流转矩分量与磁链分量的解耦,可以按线性理论分别设计转速与磁链调节器(一般采用pi调节器),实行连续控制,从而获得较宽的调速范围,但系统易受转子参数变化的影响。直接转矩控制系统则舍去比较复杂的旋转坐标变换,直接在定子静止坐标系上,计算电磁转矩和定子磁链,并用双位式bang-bang控制对转矩和磁链进行调解,受电机参数影响较小,转矩响应快,但由于bang-bang控制本身属于p控制,不可避免地产生转矩脉动,影响系统低速性能。本文介绍的isr(indirekte selbst regelung)控制策略能有效地减小直接转矩控制中转矩的脉动,具有良好的低速性能及动、静态特性。

2 异步电动机动态模型

在定子两相静止坐标系(α,β)中的异步电动机电压方程及电磁转矩方程可表示为:

uαs=rsiαs+pψαs (1)

uβs=rsiβs+pψβs (2)

(3)
其中:uαs,uβs,iαs,iβs,ψαs,ψβs分别是α,β坐标系下定子侧电压,电流,磁链的α,β轴分量:rs为定子电阻;np为电机极对数;p为微分算子;为电机漏电感为常数;θ为定子磁链与转子磁链的夹角。

由式(1)、(2)式我们可以得到定子两相静止坐标系下定子磁链可表示为:

  (4)
 (5)

直接转矩控制的主电路图如图1所示。



图1 直接转矩控制主电路图

其中逆变器的8种开关状态对应了8组电压矢量,如表1所示[1]。

表1 电压矢量表



表2 逆变器电压矢量选择表



为了方便控制定子磁链和电磁转矩,我们把磁链空间矢量划分为6个均等的区域,划分原则是:

(6)

k为扇区号,k=1,2,3,4,5,6,如图2所示。在每个扇区内针对磁链和转矩的不同情况选择不同的电压矢量。图3 为bang-bang控制方案。



图2 扇区及电压矢量图



图3 bang-bang控制

3 传统的bang-bang滞环控制策略

3.1 对定子磁链的控制

由式(4)、(5)可构建出定子磁链的计算模型,从而得到定子磁链的实际值ψs。图4 为定子磁链滞环控制图。图5 为电磁转矩滞环控制图。



图4 定子磁链滞环控制图



图5 电磁转矩滞环控制图


磁链滞环的输入是磁链给定值ψs*与磁链实际值ψs之差,输出是磁链开关信号hψ,±ε是滞环宽度。定义磁链误差为:δψ=ψs*-ψs,则磁链调节器的控制方法如下:

(1)当δψ≥ε时,hψ=1,此时选择电压矢量使得|ψs|增加。

(2)当δψ≤-ε时,hψ=-1,此时选择电压矢量使得|ψs|减小。

3.2 对电磁转矩的控制

转矩调节器的输入是转矩给定值te*与转矩实际值te之差,输出开关信号hte,容差宽度是ε,调节器采用离散的三点式调解方式,矩误差为:

δt= te*- te

则转矩调节器控制规律如下:

当δt≥ε时,hte=1;
当|δt|≤ε时,hte=0;
当δt<-ε时,hte=-1;

得到磁链和转矩的输出信号后我们可以按照表2选择对应的定子电压矢量。

当定子磁链和电磁转矩达到滞环上下限时,控制器调节定子电压矢量使磁链和转矩满足设定要求如图3所示。

4 基于pi调节器的新型控制方案

对式(4)、(5)我们忽略定子电阻我们可以近似得到:
(7)
(8)
对(7)(8)进行变形,我们得到:
(9)
我们可以看出在忽略定子电阻压降时,单位时间内定子磁链的变化量为加在定子侧的电压矢量,即磁链的轨迹可由单位时间内的定子电压矢量决定[2][3],如图6。

在滞环控制中,只有当转矩或磁链达到所设定的滞环宽度后,调节器才进行调解,而在新方案中定子磁链和电磁转矩的调节是以单位采样时间进行的,从而使调节更加精细,从而减小了转矩的脉动。此外,由于定子侧电压矢量的调节是以单位时间进行的,故逆变器的开关频率为常数,解决了传统dtc控制开关频率不固定的缺点。用pi调节器代替滞环控制的结构如图7所示。



图6 单位时间内磁链变化



图7 定子磁链pi调节器控制
磁链调节具体的控制策略为:磁链的计算值与给定值进行比较,若pi输出大于零,则令hψ=1此时需要增大定子磁链,直到pi输出为零,当pi输出小于零,则令hψ=-1,此时需要减小磁链直至pi输出为零。同理,转矩的计算值与给定值进行比较,对于转矩调节,若pi输出大于零,则令hte=1此时需要增大电磁转矩,直到pi输出为零,当pi输出小于零,则令hte=-1,此时需要减小磁链直至pi输出为零。

matlab的具体实现如图8所示,转矩调节器与磁链调节器结构相同。



图8 matlab中磁链调解器

5 仿真波形对比与分析

对异步电动机直接转矩bang-bang控制与pi控制进行matlab仿真比较。在相同的采样步长下,控制过程转矩变化如图9所示,电机先以最大转矩达到设定转速,然后稳定。在pi控制与bang-bang控制对比中我们很清楚的看到pi控制的转矩脉动要比bang-bang控制平滑的多,如图10所示。



图9 异步电机直接转矩控制的转矩波形



图10 bang-bang控制与pi控制转矩波形放大图

从图11的转速响应曲线来看,转速由10rad/s到20rad/s用时5ms,表明该系统具有良好的动静态特性。

从图12(a)与图12(b)我们可以看出,基于pi控制的电流曲线要比基于bang-bang控制的电流曲线平滑的多,这说明pi控制不仅在转矩控制上而且在电流上也优于滞环控制。



图11 异步电机直接转矩控制转速响应曲线



图12(a) pi控制的电流曲线



图12(b) bang-bang控制的电流曲线

6 结束语

在系统处于空载时,采用pi调节器代替bang-bang滞环控制器能有效地减小直接转矩控制方案中转矩脉动,有效地抑制了电流谐波,具有良好的低速性能及动静态特性,便于数字实现,使直接转矩控制性能有了很大改善。

关键字:方法  研究

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0326/article_5211.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
方法
研究

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved