孫鐵成，鞠雪強(qiáng)，王 鈺，娜仁圖亞

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程系，黑龍江 哈爾濱 150001）

矢量控制技術(shù)，經(jīng)過復(fù)雜的坐標(biāo)變換，可以將電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁鏈控制解耦，達(dá)到與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美的調(diào)速性能［1－2］。但是矢量控制計算復(fù)雜，調(diào)速性能還受到轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，而且對外界抗干擾能力比較弱。直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque control，DTC）這一高性能控制策略便由此發(fā)展起來，并被推廣到弱磁調(diào)速［3］。該控制方法通過Bang－Bang控制，不依賴電機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡化，不需要復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，結(jié)構(gòu)簡單，具有較強(qiáng)的魯棒性［4－7］，且運行性能不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響［8］。但是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)還存在以下問題［9－11］：直接轉(zhuǎn)矩控制在采用 Bang－Bang控制時，會使得轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的脈動；滯環(huán)的存在，使得系統(tǒng)的開關(guān)頻率不能固定；低速運行時，定子電阻的壓降不可忽略，定子電阻的變化會對此聯(lián)模型的估算精度產(chǎn)生較大影響。針對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)存在的問題，文獻(xiàn)［12－13］提出了多種解決方案，使得DTC方法的調(diào)速性能有了較大的改善。

本文從DTC技術(shù)存在的問題出發(fā)，對調(diào)速系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種基于SVM－DTC的控制策略，并設(shè)計了一個交流調(diào)速實驗平臺。該實驗平臺面向?qū)W生設(shè)計，硬件電路主要由交－直－交變頻主電路構(gòu)成，其中逆變電路部分采用智能功率模塊IPM，軟件主要靠VC＋＋6.0對整個系統(tǒng)控制策略進(jìn)行編程，并生成一個人機(jī)交互界面，軟硬件之間通過基于PCI總線的DSP運動控制卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)實驗平臺的實時性和開放性控制。

1 SVM－DTC控制建模與原理

1.1 感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

1.1.1 定子磁鏈模型

定子磁鏈模型的建立主要靠磁鏈觀測器實現(xiàn)。本文采用魯棒性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)的u－i模型對定子磁鏈Ψ進(jìn)行觀測，得到如下數(shù)學(xué)方程：

式中θ為磁鏈位置角。

將（1）式的方程進(jìn)行組合，可得到定子磁鏈的u－i模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 定子磁鏈的u－i模型結(jié)構(gòu)圖

1.1.2 電磁轉(zhuǎn)矩模型

轉(zhuǎn)矩的觀測是在定子磁鏈觀測的基礎(chǔ)上獲得的。經(jīng)過坐標(biāo)變換，電磁轉(zhuǎn)矩Te方程為

同樣，經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后可以得到轉(zhuǎn)矩模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中np為電機(jī)極對數(shù)。

圖2 電磁轉(zhuǎn)矩觀測模型結(jié)構(gòu)圖

1.2 SVM－DTC的原理

如圖3所示：霍爾傳感器檢測電機(jī)的電流信號，經(jīng)過采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由此估算出定子磁鏈、磁鏈位置角和電磁轉(zhuǎn)矩的大小。經(jīng)過磁鏈PI調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)的閉環(huán)調(diào)節(jié)，得到參考電壓矢量在定子磁鏈x－y坐標(biāo)系中的2個分量Ux和Uy，經(jīng)過Park逆變換，將Ux和Uy轉(zhuǎn)化為兩相靜止坐標(biāo)系中的電壓分量，將兩電壓分量和磁鏈位置角進(jìn)行矢量合成便可以得到目標(biāo)參考電壓矢量，并判斷此時目標(biāo)參考電壓矢量所在的扇區(qū)，計算出各扇區(qū)相應(yīng)矢量的作用時間，由此產(chǎn)生PWM開關(guān)信號，實現(xiàn)系統(tǒng)的變頻調(diào)速。

圖3 SVM－DTC變頻調(diào)速原理

2 SVM－DTC控制策略的實現(xiàn)

2.1 目標(biāo)矢量所在扇區(qū)的判斷

設(shè)目標(biāo)電壓矢量Uref在兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓分量為Uα、Uβ，設(shè)A0、A2、A4滿足下式：

將公式（5）中求得的 A0、A2、A4的值代入下式計算P（中間變量）值，然后根據(jù)計算得到的P值查表1獲得目標(biāo)電壓矢量所在扇區(qū)號。

表1 各P值對應(yīng)的扇區(qū)號

2.2 各扇區(qū)相應(yīng)矢量的作用時間確定

空間矢量調(diào)制（SVPWM）是根據(jù)目標(biāo)電壓矢量所在位置，選擇與其相鄰的基本電壓空間矢量，設(shè)定這兩個矢量的作用時間，然后計算并生成功率管的開關(guān)信號，從而合成目標(biāo)電壓矢量。如圖4所示，當(dāng)目標(biāo)電壓矢量Uref位于基本電壓矢量所劃分出的第Ⅰ扇區(qū)時，選擇U4和U6分別作用T4和T6時間，以合成Uref。其中Ts為采樣周期。

圖4 目標(biāo)電壓矢量合成原理

設(shè)變頻主電路直流母線電壓為Udc，根據(jù)伏秒平衡原理，可以通過公式（7）計算電壓U4、U6和零電壓矢量的作用時間T4、T6、T0：

在α－β坐標(biāo)系下描述為

聯(lián)立公式（7）和（8），可以得出電壓U4和U6以及零矢量的作用時間分別為：

據(jù)此，可以很容易地計算得到各基本電壓矢量的作用時間，故可以利用DSP的時間寄存器數(shù)字化實現(xiàn)目標(biāo)電壓矢量的SVPWM合成。

2.3 矢量切換點的計算

設(shè)Tcm1、Tcm2、Tcm3分別為與三角波比較生成PWM波形的3個比較值，即對應(yīng)開關(guān)管的開通時刻。令Ta＝ （Ts－Tx－Ty）／2，Tb＝Ta＋Tx，Tc＝Tb＋Ty，則在不同扇區(qū)內(nèi)Tcm1、Tcm2、Tcm3值得大小可以根據(jù)表2進(jìn)行賦值。

表2 扇區(qū)矢量切換點Tcm1、Tcm2、Tcm3

3 硬件電路實現(xiàn)

3.1 交流調(diào)速實驗平臺

該平臺的硬件電路如圖5所示，由二極管整流電路、智能功率模塊逆變電路、電流霍爾傳感器檢測電路、DSP運動控制卡、電壓檢測電路、光電編碼器轉(zhuǎn)速檢測電路，以及過壓、過流保護(hù)電路和PWM信號隔離電路等組成。

圖5 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

三相交流電經(jīng)過自主設(shè)計的整流電路后，經(jīng)過智能功率模塊IPM進(jìn)行逆變，實現(xiàn)對感應(yīng)電機(jī)的變壓和變頻控制。電路中的霍爾傳感器、光電碼盤等采集的電流、轉(zhuǎn)速、電壓信號輸入DSP，經(jīng)過DSP的A／D轉(zhuǎn)換，由PCI總線傳送給PC進(jìn)行控制，從而產(chǎn)生IPM所需的PWM信號，經(jīng)過光耦隔離后，由施密特反相器進(jìn)行PWM信號的整形，輸入IPM進(jìn)行逆變。系統(tǒng)中的過電壓、過電流保護(hù)電路可以在故障出現(xiàn)時關(guān)斷IPM。

3.2 基于PCI總線的DSP運動控制卡

基于PCI總線的DSP運動控制卡如圖6所示，上位機(jī)將控制命令和數(shù)據(jù)通過PCI發(fā)送到雙端口RAM，并發(fā)出中斷信號給DSP的中斷引腳XINT1，DSP響應(yīng)中斷，去讀取雙端口RAM中的信息以控制電機(jī)的運行；同樣，DSP將采集到的電壓、電流等信號發(fā)送到雙端口RAM，并發(fā)出中斷信號給PCI的中斷引腳LINT1，由上位機(jī)讀取后進(jìn)行分析和處理，并將相關(guān)參數(shù)實時顯示在控制界面上。

由于PCI輸出的高電平在＋2.8V和＋5V之間，而且雙端口RAM的數(shù)據(jù)信號電平為＋5V，而DSP能接受的最高電平為＋3.3V，為了保證DSP及其外圍器件工作的安全可靠，這就存在一個DSP與雙端口RAM之間的電平轉(zhuǎn)換關(guān)系問題，因此需要加總線電平轉(zhuǎn)換電路。

圖6 基于PCI總線的運動控制卡結(jié)構(gòu)圖

4 人機(jī)交互界面設(shè)計

使用VC＋＋6.0進(jìn)行人機(jī)交互界面窗口的設(shè)計，并對電機(jī)控制算法進(jìn)行編程，本文控制策略的算法就是在此界面下進(jìn)行編輯的。

圖7所示人機(jī)交互界面，分為控制算法選擇、在線參數(shù)修改和波形顯示部分。用戶可以在此界面中選擇不同的電機(jī)控制算法，由不同的按鈕來控制電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)運行，并將實驗過程中采集到的實時波形與設(shè)定值進(jìn)行比較輸出。該界面還可以對程序算法進(jìn)行在線修改，通過PCI總線與DSP進(jìn)行通信，具有較強(qiáng)的可讀性。考慮到面向?qū)W生實驗，本軟件具有較強(qiáng)的安全性和可靠性。

圖7 人機(jī)交互軟件界面

5 實驗測試與結(jié)果

根據(jù)SVM－DTC控制策略的原理，在圖5所示的硬件電路上進(jìn)行電機(jī)動靜態(tài)性能測試。實驗室所用電機(jī)是三相鼠籠式異步電機(jī)，其參數(shù)如下：額定電壓UN＝220V，額定功率PN＝100W，額定電流IN＝0.48A，額定頻率fN＝50Hz，額定轉(zhuǎn)速nN＝1 500 r／min，極對數(shù)np＝2。

5.1 靜態(tài)性能測試

電機(jī)在穩(wěn)定負(fù)載條件下運行時，其靜態(tài)測試結(jié)果如圖8—圖10所示：其中圖8顯示的三相電流采樣波形是以C相電流為基值，A、B兩相電流在C相電流基礎(chǔ)上都加了一定的數(shù)值，便于三相電流的分離顯示；圖9是電機(jī)在穩(wěn)定負(fù)載情況下的轉(zhuǎn)速變化曲線；圖10是電機(jī)的磁鏈圖。

圖8 三相電流波形

圖9 電機(jī)運行速度曲線

通過實驗結(jié)果可以得出：基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制策略下的變頻調(diào)速系統(tǒng)，三相電流為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，諧波含量少；轉(zhuǎn)速運行平穩(wěn)，無波動；磁鏈基本上接近圓，靜態(tài)性能較好。

5.2 動態(tài)性能測試

本文針對電機(jī)動態(tài)特性的測試主要包括：空載起動實驗和動態(tài)調(diào)速實驗?？蛰d起動特性實驗是在給定頻率為50Hz情況下進(jìn)行的，實驗結(jié)果如圖11所示。動態(tài)調(diào)速實驗，運行頻率由50Hz降到40Hz過程中，轉(zhuǎn)速與電流波形變化如圖12和圖13所示。

圖10 電機(jī)運行過程中磁鏈圖

圖11 空載起動時定子電流波形

圖12 電機(jī)減速的轉(zhuǎn)速波形

圖13 電機(jī)減速的電流波形

電機(jī)起動實驗結(jié)果表明：定子電流在0.2s時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。電機(jī)起動后，電流響應(yīng)速度快，脈動小，穩(wěn)定性高，動態(tài)性能好。

變頻調(diào)速實驗結(jié)果表明；當(dāng)電機(jī)運行過程中頻率從50Hz變化到40Hz進(jìn)行動態(tài)調(diào)速時，實際轉(zhuǎn)速會快速地跟隨給定轉(zhuǎn)速變化，最后穩(wěn)定在1 200r／min，電流波形會跟隨轉(zhuǎn)速變化而稍有波動。整個變頻調(diào)速過程，響應(yīng)迅速，跟隨性好，具有較好的動態(tài)性能。

6 結(jié)束語

本文對基于SVM－DTC控制策略的變頻調(diào)速實驗進(jìn)行了研究測試，有效地解決了矢量控制受參數(shù)影響，以及傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制存在的低速運行時轉(zhuǎn)矩和電流脈動大、開關(guān)頻率不固定、定子電阻變化和磁鏈估算影響控制精度等問題。實驗中分別進(jìn)行了動靜態(tài)實驗和變頻調(diào)速實驗測試，測試結(jié)果驗證了該控制策略具有較好的動靜態(tài)性能，靜態(tài)穩(wěn)定性能高，動態(tài)響應(yīng)快。

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