賀德華,劉國榮,韋婷華,徐美清,曹時德,周桂珍

(1.湘潭大學(xué),湖南湘潭411105;2.湖南工程學(xué)院,湖南湘潭411101;3.南寧供電局,廣西南寧530031)

0 引 言

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是一種新型的高性能異步電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)[1],最先由德國和日本的科研人員提出異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論,它具有控制思路新穎、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn),但實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,它還有一系列難以解決的問題:主要表現(xiàn)為電動機(jī)在低速時性能差,電流和轉(zhuǎn)矩脈動比較大,這些問題的存在在很大程度上限制了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展。本文主要針對直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中轉(zhuǎn)矩脈動大的問題,運(yùn)用先進(jìn)的算法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制,進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng),從而減小系統(tǒng)運(yùn)行時的轉(zhuǎn)矩脈動。

傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制是根據(jù)某個時刻的轉(zhuǎn)矩誤差eT和定子磁鏈誤差eψ的情況,選擇一個電壓空間矢量,使eT和eψ限制在一個設(shè)定的比較小的范圍內(nèi),這種控制模式具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)和算法簡單等優(yōu)點(diǎn)。但在目前的實(shí)際應(yīng)用中,由于數(shù)字控制系統(tǒng)中的一個采樣周期內(nèi)只有單一的電壓空間矢量作用,而且只有七個不連續(xù)的空間電壓矢量供控制系統(tǒng)選擇,不可避免地會使轉(zhuǎn)矩和磁鏈急劇的增加或減少。低速時受到定子電阻參數(shù)的影響脈動更加明顯,在數(shù)字化中實(shí)現(xiàn)更加突出。

本文根據(jù)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的缺陷,提出了磁鏈區(qū)間細(xì)分法[2]與模糊控制相結(jié)合的方法,即在十二區(qū)段中運(yùn)用矢量合成控制法使非零有效電壓矢量增加到十二個電壓矢量,并運(yùn)用模糊控制優(yōu)化電壓矢量選擇,并且對新提出的方案進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明,直接轉(zhuǎn)矩控制新方案的性能得到比較明顯改善。

1 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的分析

電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩等于定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的叉積,電動機(jī)的定子磁鏈幅值為一恒定值,而電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈幅值是由電機(jī)負(fù)載大小情況所決定。因此,可以通過改變磁通角大小來實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制,即通過電壓矢量的交替變換來實(shí)現(xiàn)對定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的角速度控制,同時由于轉(zhuǎn)子磁鏈的角速度不能突變,這樣通過控制定子磁鏈的角速度來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。直接轉(zhuǎn)矩控制就是根據(jù)實(shí)時情況,選擇一個最佳的控制矢量或者零矢量,使電機(jī)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

轉(zhuǎn)矩波動的上限與下限變化寬度與控制系統(tǒng)的采樣周期和電機(jī)的所加電壓矢量有關(guān)。如果提高系統(tǒng)的采樣周期,即提高功率開關(guān)元件的工作頻率,能減小電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動,但同時逆變器中的IGBT等一些功率元器件的開關(guān)損耗也會隨之增加,發(fā)熱也更厲害,也影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。數(shù)字化控制系統(tǒng)中的采樣周期和系統(tǒng)控制周期一般是固定不變的,所以在數(shù)字控制系統(tǒng)中,一個周期內(nèi)只有一個電壓矢量作用是造成電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動大的主要原因。

在常用的電壓型逆變器中,系統(tǒng)只有一個零電壓矢量和相隔60°空間角度分布的六個非連續(xù)非零電壓矢量。而電動機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)请妷旱姆e分,因此磁鏈角變化是連續(xù)不斷的。由于電壓的斷續(xù)和磁鏈角連續(xù)造成了劇烈的磁通角變化,磁通角的劇烈變化是造成了直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩脈動的一個重要原因。

2 傳統(tǒng)開關(guān)表的缺陷

傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中采用兩點(diǎn)式滯環(huán)比較器作為磁鏈控制器,用三點(diǎn)式滯環(huán)比較器作為轉(zhuǎn)矩控制器,系統(tǒng)可以選擇的電壓矢量為七個電壓矢量。其逆變器的電壓開關(guān)狀態(tài)選擇表如表1所示。

表1 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制電壓矢量

傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中的開關(guān)狀態(tài)選擇存在以下方面的缺陷[3]:首先由于沒有考慮到電阻、電感等參數(shù)以及它們變化帶來的影響,使開關(guān)表的某些電壓矢量選擇存在相矛盾或者錯誤的地方。其次是在一個扇區(qū)內(nèi)可供選用的電壓矢量數(shù)量有限,并且選擇表中的電壓矢量對定子磁鏈存在作用不平衡的問題。這些都是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)當(dāng)中電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動大的重要因素。

3 空間電壓矢量的合成和磁鏈區(qū)間細(xì)分

為了提高系統(tǒng)的控制性能,降低轉(zhuǎn)矩脈動,可以利用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的方法,使用兩個矢量合成任意方向,任意幅值的電壓矢量[4]?；谶@種方法,本文利用相鄰的2個矢量沿它們的角平分線方向再合成一個矢量如圖1所示,可以將原來的6個電壓矢量擴(kuò)展到12個有效矢量分別為U1～U12,即6個基本矢量和6個合成矢量,同時為了便于選擇,將整個區(qū)間重新劃分12個磁鏈扇區(qū),分別為θ1～θ12表示,每個扇區(qū)為30°。磁鏈區(qū)間及其對應(yīng)空間電壓矢量如圖2所示。

圖1 電壓矢量的合成

圖2 磁鏈區(qū)間及對應(yīng)的電壓矢量

4 模糊控制器設(shè)計(jì)[5]

模糊控制系統(tǒng)是以模糊推理和控制經(jīng)驗(yàn)等作為基礎(chǔ),它的核心是模糊控制器。

4.1 模糊變量

模糊控制器的輸入語言變量分別是電機(jī)定子磁鏈誤差eψ、轉(zhuǎn)矩誤差eT和磁鏈角θ,輸出量就是電壓矢量。將eψ和eT分別模糊化為Eψ和ET。其中磁鏈誤差Eψ包含{P、N、Z},它的隸屬度函數(shù)如圖3a所示,轉(zhuǎn)矩誤差ET包含{PL、PS、ZE、NS、NL},它的隸屬度函數(shù)如圖3b所示,為了避免出現(xiàn)開關(guān)選擇錯誤的問題,并使磁鏈軌跡盡量為圓形,磁鏈角θ被均分為每個的12個子區(qū)間,它的模糊子集為{θ1,θ2,…,θ12},隸屬度函數(shù)如圖3c所示。模糊控制器的一維輸出為離散的12個非零電壓矢量和一個零電壓矢量,它的模糊子集為{u0,u1,…,u11,u12},隸屬度函數(shù)如圖3d所示。

圖3 輸入輸出量隸屬度函數(shù)分布圖

4.2 模糊規(guī)則

在直接轉(zhuǎn)矩控制中,雖然增加了一倍的電壓矢量供選擇,但還是不能做到一種電壓空間矢量同時滿足轉(zhuǎn)矩和磁鏈變化的需要。但實(shí)現(xiàn)定子圓形磁鏈軌跡比保持電磁轉(zhuǎn)矩為給定值更容易,因此應(yīng)首先考慮保持轉(zhuǎn)矩為給定范圍之內(nèi),在保證轉(zhuǎn)矩保持在給定范圍內(nèi)的同時兼顧定子磁鏈的圓形軌跡[6]。模糊控制規(guī)則表述:

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統(tǒng)采用Mamdani推理法,其隸屬函數(shù)如下:

本文中的模糊控制系統(tǒng)的輸出是單點(diǎn)模糊集,輸出為:

本模糊控制器包含總共180條模糊規(guī)則,模糊控制如表2所示。

表2 模糊控制表

5 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

5.1 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4 模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型

仿真用的參數(shù)設(shè)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 仿真及結(jié)果分析

由圖5a、圖5c、圖5e可知,傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值都很大,轉(zhuǎn)速有很大的超調(diào)量;圖5b、圖5d、圖5f采用了磁鏈區(qū)間細(xì)分和模糊控制相結(jié)合的控制方法,從波形曲線可以看出,在同樣的條件下,采用了區(qū)間細(xì)分和模糊控制相結(jié)合的控制方法的直接轉(zhuǎn)矩控制比傳統(tǒng)的方法有更好的動態(tài)響應(yīng)。轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈脈動很小,無超調(diào),保證了直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)優(yōu)異的動靜態(tài)響應(yīng)性能。

6 結(jié) 語

磁鏈區(qū)間細(xì)分控制使得系統(tǒng)的控制更加精細(xì),6個基本電壓矢量和6個合成電壓矢量都得到了比較充分的利用,克服了定子磁鏈幅值和磁通角變化時對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的不利影響,運(yùn)用模糊控制使系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),提高了系統(tǒng)的動靜態(tài)性能和魯棒性,保證了直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)優(yōu)異的動靜態(tài)響應(yīng)性能。仿真結(jié)果表明,本方法能有效地降低電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動,低速性能有較大的提高。

[1] 李夙.異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[2] 祝龍記,王汝琳.采用矢量細(xì)分的異步電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[J].微特電機(jī),2004(6):30-32.

[3] 黃禎祥,郭延文,廖劍霞,等.直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)磁鏈區(qū)間細(xì)分控制的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào),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] 諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[6] 楊家強(qiáng),黃進(jìn).異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動最小化方法研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2004,19(9):23-29.