，，

（西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

1 引言

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略的選擇是決定其性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素[1]。直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)作為一種高性能交流調(diào)速技術(shù)，在高速列車(chē)主傳動(dòng)等大功率系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。與矢量控制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制具有更優(yōu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，且無(wú)需復(fù)雜的坐標(biāo)變換，控制目標(biāo)更加明確[2-4]。同時(shí)，由于在估算磁鏈和轉(zhuǎn)矩時(shí)，只需要電機(jī)定子側(cè)參數(shù)，因此其對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴(lài)性相對(duì)于矢量控制有所減弱[5]。但傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率并不固定，不能充分利用變流器的開(kāi)關(guān)資源[1]。文獻(xiàn)[6-7]采用直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量調(diào)制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)頻率的近似恒定。文獻(xiàn)[8]則通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)矩控制器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三態(tài)滯環(huán)比較器，也達(dá)到了降低開(kāi)關(guān)頻率的目的。

本文針對(duì)異步電機(jī)的牽引特性，將電力牽引運(yùn)行分成3個(gè)調(diào)節(jié)區(qū)域，重點(diǎn)研究了前2個(gè)調(diào)節(jié)區(qū)域，設(shè)計(jì)了在不同速度區(qū)域內(nèi)能近似恒定開(kāi)關(guān)頻率的直接轉(zhuǎn)矩控制算法，并采取有效的算法切換過(guò)渡措施，實(shí)現(xiàn)了算法間磁鏈和轉(zhuǎn)矩的無(wú)跳變切換，建立起全速域直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)的調(diào)節(jié)。

2 全速域直接轉(zhuǎn)矩控制算法設(shè)計(jì)

通常情況下，電力牽引運(yùn)行可分為3個(gè)運(yùn)行調(diào)節(jié)區(qū)［9］：?jiǎn)?dòng)加速區(qū)（恒轉(zhuǎn)矩區(qū)）、恒功率輸出區(qū)和提高速度區(qū)或自然特性區(qū)，如圖1所示。

圖1 電力牽引特性曲線(xiàn)Fig.1 The characteristic curves of electric traction system

恒轉(zhuǎn)矩區(qū)（基速n0以下范圍）。在該區(qū)域保持氣隙磁通近似不變，電動(dòng)機(jī)可以在任何速度下發(fā)揮較大轉(zhuǎn)矩，通過(guò)控制轉(zhuǎn)差頻率為固定值，即可使得牽引電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩下工作。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的低速域，采用改進(jìn)的圓形磁鏈軌跡DTC控制方式；在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的中速域，采用十八邊形磁鏈軌跡DTC控制方式；在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的高速域，采用六邊形磁鏈軌跡DTC控制方式。

恒功率區(qū)或弱磁范圍 I（n0＜n＜nmax）。 隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，電壓Us提高，電機(jī)的輸出功率增大，但是電壓的提高受到電機(jī)功率或逆變器最大電壓的限制，當(dāng)電機(jī)的定子電壓接近于電機(jī)反電勢(shì)時(shí)，電壓不再能夠繼續(xù)升高，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速受限。為了能夠進(jìn)一步提高傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，使其能夠運(yùn)行于基速以上范圍，采取削弱磁通的方式來(lái)降低反電勢(shì)，牽引電動(dòng)機(jī)在這一過(guò)程中運(yùn)行于恒功率區(qū)。在恒功率區(qū)中，采用方波DTC控制方式。

2.1 低速域直接轉(zhuǎn)矩控制算法

傳統(tǒng)基于開(kāi)關(guān)表的圓形磁鏈DTC中，系統(tǒng)具有開(kāi)關(guān)頻率不固定，電流正弦性差，諧波含量高，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的缺點(diǎn)。為解決上述問(wèn)題，本文采用基于空間矢量脈寬調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制 （SVMDTC）方式[10]，該方案基于定子兩相αβ靜止坐標(biāo)系，由轉(zhuǎn)矩和磁鏈求得下一時(shí)刻需要施加的定子電壓矢量，再將該矢量經(jīng)過(guò)空間矢量調(diào)制得到所需開(kāi)關(guān)信號(hào)，其控制過(guò)程如圖2所示。

圖2 SVM-DTC控制系統(tǒng)框圖Fig.2 The block diagram of SVM-DTC control system

SVM-DTC控制方式是將電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)定值與反饋值之差通過(guò)PI調(diào)節(jié)器，其輸出可定義為消除轉(zhuǎn)矩誤差所需的角度差△xd，由于在控制過(guò)程中定子磁鏈會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，其在一個(gè)控制周期內(nèi)走過(guò)的電角度表示為△xσ，將二者疊加，即可得到下一控制周期磁鏈需要走過(guò)的角度。同時(shí)，將磁鏈設(shè)定值與反饋值之差通過(guò)PI調(diào)節(jié)器，其輸出可定義為下一周期磁鏈增量系數(shù)KΨ，再根據(jù)磁鏈目標(biāo)值，并結(jié)合磁鏈方程，可求出作用在逆變器上的電壓矢量：

式中：ωsl為轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速，ωsl=2TeRr/3np|Ψs|2；Teref，Te分別為給定轉(zhuǎn)矩和估算轉(zhuǎn)矩；Ψsref，Ψs分別為給定磁鏈和估算磁鏈；Ts，np，ωr分別為控制周期、電機(jī)極對(duì)數(shù)及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

假設(shè)當(dāng)前控制周期的定子磁通角度為θ，若下一控制周期能使定子磁鏈達(dá)到給定磁鏈，則：

那么在控制周期內(nèi)定子磁鏈的增量△Ψs為

假如控制周期Ts足夠短，則有下式成立：

由此，可得到參考電壓矢量為

其中，usαref，usβref包含了下一周期所希望得到的 轉(zhuǎn)矩和磁鏈信息，將該參考電壓矢量進(jìn)行空間矢量調(diào)制，就可以得到逆變器的門(mén)極脈沖。

2.2 中高速域直接轉(zhuǎn)矩控制算法

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，逆變器開(kāi)關(guān)頻率隨之上升，零電壓作用時(shí)間與次數(shù)大大減少，定子電壓的平均值比較大，定子電阻壓降的影響也可以忽略。為降低開(kāi)關(guān)損耗，并且充分地利用直流側(cè)電壓，在中高速范圍內(nèi)采用多邊形磁鏈軌跡DTC控制方式，其系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 中高速域直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖Fig.3 The block diagram of DTC system in mediumhigh speed range

在15%n0～85%n0范圍內(nèi)，采用十八邊形磁鏈軌跡直接轉(zhuǎn)矩控制方式。它是在正六邊形的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行折角處理，使定子磁鏈運(yùn)行于內(nèi)、外正六邊形上，得到接近于圓形的十八邊形磁鏈軌跡，如圖4所示。此種控制方式不僅簡(jiǎn)單易行，而且具有較高的磁通利用率，當(dāng)選擇特定的折角時(shí)，還能夠消除特定次數(shù)的諧波，其詳細(xì)分析過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

圖4 十八邊形磁鏈軌跡圖Fig.4 The locus diagram of octadecagon flux

在85%n0～100%n0范圍內(nèi)，采用六邊形磁鏈軌跡直接轉(zhuǎn)矩控制方式。它是在每一個(gè)扇區(qū)，只采用一種有效矢量和一種零矢量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，因此其磁鏈軌跡為正六邊形，如圖5所示。此種控制方式不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且能夠充分地利用直流側(cè)電壓。

圖5 六邊形磁鏈軌跡圖Fig.5 The locus diagram of hexagon flux

由于多邊形磁鏈軌跡直接轉(zhuǎn)矩控制的開(kāi)關(guān)頻率仍舊不固定，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗不均勻。為了能近似恒定逆變器開(kāi)關(guān)頻率，在控制系統(tǒng)中，引入了頻率調(diào)節(jié)器，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的容差，達(dá)到實(shí)際頻率跟蹤給定頻率的目的。

2.3 弱磁高速域直接轉(zhuǎn)矩控制算法

當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到基速（n0）時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)不再能夠繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，因?yàn)殡姍C(jī)的定子電壓已經(jīng)接近反電動(dòng)勢(shì)的大小，此時(shí)，需通過(guò)降低定子磁鏈幅值來(lái)限制反電勢(shì)的大小，從而達(dá)到提高轉(zhuǎn)速的目的。在DTC控制系統(tǒng)中直接控制定子磁鏈的幅值給定，便可以實(shí)現(xiàn)弱磁功能，控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 弱磁方波控制系統(tǒng)框圖Fig.6 The block diagram based on square wave control

電機(jī)進(jìn)入弱磁域運(yùn)行時(shí)，磁鏈軌跡依然是六邊形，但在基速域起作用的零矢量會(huì)退出控制，工作電壓為6個(gè)有效電壓矢量，定子磁鏈將會(huì)以最大速度旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)是依靠功率PI和動(dòng)態(tài)磁弱PI共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1]。

2.4 不同DTC控制算法仿真

根據(jù)不同速度域的控制算法，分別搭建直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型，SVM-DTC控制仿真結(jié)果如圖7所示；十八邊形磁鏈DTC控制仿真結(jié)果如圖8所示；六邊形磁鏈DTC控制仿真結(jié)果如圖9所示；弱磁方波控制仿真結(jié)果如圖10所示。

圖7 SVM-DTC直接轉(zhuǎn)矩控制仿真波形Fig.7 The simulation waveforms of SVM-DTC

圖8 十八邊形磁鏈軌跡直接轉(zhuǎn)矩控制仿真波形Fig.8 The simulation waveforms of DTC with octadecagon flux

圖9 六邊形磁鏈軌跡直接轉(zhuǎn)矩控制仿真波形Fig.9 The simulation waveforms of DTC with hexagon flux

圖10 弱磁方波控制仿真波形Fig.10 The simulation waveforms of square wave control

3 DTC控制算法切換過(guò)渡措施

在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，由于不同速度域采用不同的磁鏈軌跡控制方式，因此，在不同速度域間需要對(duì)算法進(jìn)行切換，為了使不同算法能夠順利切換而不引起轉(zhuǎn)矩和磁鏈的跳變，采用速度滯環(huán)和等磁鏈幅值的切換措施。

采用滯環(huán)切換代替速度點(diǎn)切換，目的是防止因速度波動(dòng)而導(dǎo)致算法間的頻繁切換。當(dāng)速度進(jìn)入速度滯環(huán)內(nèi)時(shí)，并不急于切換，而是同時(shí)運(yùn)行相鄰速度域的兩種控制算法。當(dāng)磁鏈在β坐標(biāo)系下的任一分量幅值與圓形磁鏈幅值相等時(shí)，完成圓形控制與十八邊形控制切換，考慮到磁鏈位置的可確定性，只在圖 12 中的 A，B，C，D，E，F(xiàn) 6 個(gè)點(diǎn)附近發(fā)生切換；當(dāng)磁鏈在β坐標(biāo)系下的任一分量幅值與外六邊形滯環(huán)容差值相等時(shí)，完成十八邊形控制與六邊形控制切換。不同算法切換點(diǎn)示意圖如圖11所示。

圖11 不同算法切換點(diǎn)示意圖Fig.11 The diagram of diverse algorithms switching point

4 全速域DTC控制仿真與分析

DTC控制系統(tǒng)中所采用電機(jī)參數(shù)為：額定功率562 kW，額定線(xiàn)電壓2 700 V，額定電流145 A，最高轉(zhuǎn)速 5 900 r/min，額定轉(zhuǎn)速 4 100 r/min，定子電阻0.113 5 Ω，定子漏感1.41 mH，轉(zhuǎn)子電阻0.072 3 Ω，轉(zhuǎn)子漏感 1.85 mH，互感 52.62 mH，極對(duì)數(shù)2。

中間直流側(cè)電壓設(shè)定為3 000 V，為了減少仿真時(shí)間，設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為5 kg·m2。

為模擬高速列車(chē)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，仿真設(shè)計(jì)如下：t=0 s時(shí)，給定轉(zhuǎn)速為n*=5 000 r/min(相當(dāng)于高速列車(chē)運(yùn)行速度v*=311 km/h)；t=3 s時(shí)，給定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min(相當(dāng)于高速列車(chē)運(yùn)行速度v*=186 km/h)；t=5 s時(shí)，高速列車(chē)上i=1.5%的坡道。DTC控制系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 全速域直接轉(zhuǎn)矩控制仿真波形Fig.12 Simulation waves of DTC in full speed range

由仿真結(jié)果可知，在基速域（恒轉(zhuǎn)矩區(qū)），逆變器按脈寬調(diào)制方式工作，3種不同磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制方式控制效果良好，并且實(shí)現(xiàn)了控制方式的平滑過(guò)渡，沒(méi)有出現(xiàn)大的磁鏈畸變；從恒轉(zhuǎn)矩區(qū)進(jìn)入恒功區(qū)階段，由相電壓波形可知，作用于逆變器的零電壓矢量變少，完全進(jìn)入恒功區(qū)后，零電壓矢量退出作用；當(dāng)完全進(jìn)入恒功區(qū)后，定子磁鏈隨轉(zhuǎn)速上升而減小，系統(tǒng)按弱磁域特點(diǎn)運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)的輸出功率恒定，轉(zhuǎn)矩與速度基本成反比關(guān)系，轉(zhuǎn)速的上升變緩。當(dāng)牽引異步電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min下降到3 000 r/min的過(guò)程中，系統(tǒng)從牽引工況轉(zhuǎn)換進(jìn)入制動(dòng)工況，電機(jī)功率及轉(zhuǎn)矩均變?yōu)樨?fù)值。當(dāng)列車(chē)進(jìn)入1.5%的坡道時(shí)，控制系統(tǒng)依然能夠保證列車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文根據(jù)異步牽引電機(jī)的特性，研究了一套適合于異步牽引電機(jī)的全速域直接轉(zhuǎn)矩控制算法，采用空間矢量調(diào)制及PI頻率調(diào)節(jié)器的方式近似恒定了逆變器開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)，引入算法過(guò)渡切換措施完成了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的無(wú)跳變切換。最后采用高速列車(chē)的數(shù)據(jù)作為仿真參數(shù)，對(duì)全速域直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足高速列車(chē)的基本運(yùn)行特性。

［1］馮曉云.電力牽引交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］齊永龍.異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2003.

［3］張令霞，張興華.直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的Matlab建模與仿真［J］.電氣傳動(dòng)，2011，41（1）：9－13.

［4］廖曉鐘，邵立偉.直接轉(zhuǎn)矩控制的十二區(qū)段控制方法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（6）： 167－173.

［5］Takahashi I，Noguchi T.A New Quick-response and Highefficiency Control Strategy of an Induction Motor［J］.IEEE Transactions on Industry Applications， 1986， 22（5）： 820－827.

［6］祝龍記.基于空間矢量PWM的新型直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)［J］.電氣傳動(dòng)，2005，35（4）：11－13.

［7］宋昌林，唐浦華，李治.具有恒定開(kāi)關(guān)頻率的感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2004，26（1）：49－53.

［8］錢(qián)坤，謝壽生，高梅艷，等.改進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩在異步電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（7）：210－214.

［9］Pham Vantien，馮曉云，Do Vietdung，等.異步電機(jī)牽引特性的仿真研究［J］.電氣傳動(dòng)，2009，39（5）：24－26.

［10］袁登科，陶桂生.一種感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)性能改善方案［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（8）：151－155.

［11］倪大成，年曉紅，劉可安.十八邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2008，30（2）：28－33.