蔡斌軍,孫耿麗

(1.湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,湘潭411101;2.湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣工程0783班,湘潭411101)

0 引 言

傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制以轉(zhuǎn)矩和磁鏈的獨立跟蹤自調(diào)整,借助于轉(zhuǎn)矩Bang-Bang控制來實現(xiàn)PWM控制策略和高動態(tài)性能.逆變器的器件開關(guān)頻率決定于轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)比較器的環(huán)寬和翻轉(zhuǎn)速度,因此開關(guān)頻率不固定.不固定的開關(guān)頻率會使器件的開關(guān)能力得不到充分的利用[1].在一個采樣周期只有單一電壓矢量作用,且只有有限且不連續(xù)的電壓空間矢量的選擇,不可避免會引起轉(zhuǎn)矩急劇的增加或減少[2].為了固定開關(guān)頻率,減小轉(zhuǎn)矩脈動,選用一種空間矢量細分的直接轉(zhuǎn)矩控制新方案,將六個基本的空間矢量細分為12個空間矢量,對12個空間矢量重新優(yōu)化組合,得到直接轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)化開關(guān)表.通過磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差得到的開關(guān)表結(jié)果,并不是直接地指示逆變器的下一個開關(guān)狀態(tài),而是采用空間矢量脈寬調(diào)制的方法得到固定頻率的開關(guān)信號.并且使用占空比方法控制空間矢量在一個采樣周期內(nèi)的作用時間,由模糊控制器得到空間矢量的占空比[3].

1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用空間矢量的數(shù)學(xué)分析方法,以定子磁場定向,建立在靜止的α-β正交定子坐標(biāo)系上,異步電動機在α-β坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型如下:

圖1 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

磁鏈方程為:

其中 ,np為電機的極對數(shù);和為的α軸和β軸的分量;和為的α軸和β軸的分量.

2 空間矢量細分原理

為了增加有效的空間矢量,本文利用空間矢量調(diào)制的方法生成六個新矢量.空間矢量合成的表達式為:

本文利用相鄰的2個矢量進行合成,合成矢量的方向為相鄰2個空間矢量的角平分線.例如用電壓矢量V4和V6合成V 46.這樣共有12個有效矢量,6個基本矢量,6個合成矢量.空間電壓矢量如圖2所示.為了便于選擇不同的矢量電壓,將整個空間分為12個扇區(qū),分別用s1～s12表示.

圖2 空間電壓矢量及其對應(yīng)扇區(qū)示意圖

3 優(yōu)化開關(guān)選擇表

首先分析有效電壓矢量對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響[4].假設(shè)磁鏈位置在扇區(qū)s1,且逆時鐘旋轉(zhuǎn),運用模糊控制的模糊子集(PL、PS、NS、NL 、P/N)來表示影響程度.PL:控制量增加大;PS:控制量增加小;NS:控制量減少小;NL:控制量減少大;P/N:影響不確定.各電壓矢量對扇區(qū)的影響如表1所示.根據(jù)表1確定優(yōu)化的電壓矢量,優(yōu)化開關(guān)選擇表如表2所示.當(dāng)有兩個矢量同時滿足要求時,選取轉(zhuǎn)矩改變小的矢量.零電壓矢量V0、V7的選擇以減少開關(guān)切換次數(shù)為原則.轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器采用三點式調(diào)節(jié),TQ=1、-1、0分別表示需要增加轉(zhuǎn)矩、減小轉(zhuǎn)矩、和保持轉(zhuǎn)矩不變.磁鏈調(diào)節(jié)器采用二點式調(diào)節(jié),ψQ=1、0分別表示需要增加磁鏈、減小磁鏈.

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4 占空比的模糊實現(xiàn)

在占空比控制中,所選的工作電壓矢量只在該采樣周期中作用一部分時間,使轉(zhuǎn)矩增加到其參考值,而剩余的時間選擇零電壓矢量,防止轉(zhuǎn)矩過大的增加,產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動.工作電壓矢量作用時間占采樣周期時間比率稱作占空比δ,其取值范圍是0～1.如何確定占空比δ是占空比控制技術(shù)的核心問題.因為每一個開關(guān)狀態(tài)的占空比數(shù)學(xué)模型非常難建立,是轉(zhuǎn)矩誤差(Ete=te-tref)、磁鏈誤差(Eψ=ψs-)的非線性函數(shù).所以使用模糊控制確定 δ.為模糊控制器的輸入變量,占空比δ為輸出變量.本文對和δ在論域上各定義了三個模糊子集(LE,ME,SE)屬度函數(shù)如圖3所示.

模糊規(guī)則采用IF-THEN形式表示,第i條規(guī)則可以表示為:

式中:A、B、u為磁鏈誤差、轉(zhuǎn)矩誤差、以及占空比的子集變量.

本系統(tǒng)共有 9條這樣的推理規(guī)則,采用Mamdani模糊推理法,取最大隸屬度對應(yīng)的輸出量為逆變器的開關(guān)量輸出,其輸出的隸屬度如式(8)所示

本系統(tǒng)的模糊控制表如表3所示.

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5 仿真實驗

5.1 仿真模型

MATLAB組成異步電動機調(diào)速模型如圖4所示.

圖4 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型圖

仿真實驗中電機的主要參數(shù)為:Pn=22 k W,

5.2 仿真結(jié)果及分析

在圖5(a),圖5(c)顯示了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真結(jié)果.圖5(b),圖5(d)顯示了改進了的仿真結(jié)果.圖5(a)中的磁鏈軌跡近似圓形,但是有較大的波動,圖5(b)中的磁鏈軌跡有明顯改善,較好的逼近圓形,且波動較小.圖5(c)中的轉(zhuǎn)矩脈動較大,圖5(d)中的轉(zhuǎn)矩脈動大大減小.

圖5 仿真結(jié)果波形圖

6 結(jié) 論

針對異步電動機傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)存在的問題,提出了一種基于空間矢量細分和占空比控制的直接轉(zhuǎn)矩控制方法,并將此方法應(yīng)用到異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中.通過系統(tǒng)仿真研究,較大的減小了直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動,使調(diào)速系統(tǒng)獲得了較好的靜動態(tài)性能和較高的調(diào)速精度.另外,逆變器開關(guān)頻率固定化.

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