胥 良, 張 叢, 張 寧

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

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一種基于磁場定向控制的電機交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

胥 良, 張 叢, 張 寧

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

為研究交流電機在高性能電驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用,介紹一種利用磁場定向控制,外加比例積分器來控制三相交流調(diào)速系統(tǒng)的簡化方法,并建立仿真模型。仿真試驗表明,該模型的階躍響應(yīng)非常快,穩(wěn)定性高,能工作在四個象限中,實現(xiàn)了系統(tǒng)的魯棒性和高性能,同時也驗證了該設(shè)計方法的可行性。

磁場定向控制;交流調(diào)速;PI調(diào)節(jié)器

一般情況下,感應(yīng)電機的運行速度是由主電壓的頻率和電動機磁極的數(shù)量來決定的[1]?？刂聘袘?yīng)電機的速度要比控制直流電機難很多,因為感應(yīng)電機的電流和所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系是非線性的。所以,相對于直流電動機而言,異步電動機的無刷結(jié)構(gòu)會使它們在沒有維護(hù)的情況下使用很長一段時間[2]。磁場定向控制技術(shù)可以在很寬的范圍內(nèi)改變感應(yīng)電機的速度[3]。在磁場定向控制技術(shù)中,一個復(fù)雜的電流分解成兩個正交的分量,一個分量用來產(chǎn)生電機中的磁通量,另一個分量控制電機中電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。

磁場定向控制最初是為那些需要在整個速度范圍內(nèi)平穩(wěn)運行,從零轉(zhuǎn)矩開始到產(chǎn)生完整轉(zhuǎn)矩,并具有較快加速和減速的高動態(tài)性能和高性能電機的應(yīng)用而設(shè)計的[4]。所以為了研究交流電機在高性能電驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用,本文提出一種新的控制算法,并通過建立仿真模型及仿真試驗,驗證了該方法的可行性。

1 算法的基本思想

主要基于兩個基本思路,一個是磁通和產(chǎn)生電流的轉(zhuǎn)矩,另一個就是參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[5]。在控制過程中,施加到電機上的是兩個正交電流而不是常用的三相電流。這兩個電流分別是直軸電流(id)和交軸電流(iq),分別負(fù)責(zé)在電機中產(chǎn)生磁通和轉(zhuǎn)矩。其中,iq的電流和定子磁通是同相的,和id成直角。當(dāng)然,施加到電機的實際電壓和所產(chǎn)生的電流是常用的三相電。坐標(biāo)系是由靜止參考坐標(biāo)系和定子磁通同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換[6]。把在一個參考坐標(biāo)系中的正弦量轉(zhuǎn)換成另一個以相同頻率旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系中的恒定值。通過坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換與選擇后,一旦正弦量變換成一個恒定值,就能夠用傳統(tǒng)的比例積分控制器來對這個系統(tǒng)進(jìn)行控制[7]。

2 磁場的矢量控制

感應(yīng)電機的矢量控制頻率是完全定向的,現(xiàn)在要對轉(zhuǎn)子磁通在d軸下進(jìn)行直接控制。通過一個單位矢量的變換命令來對旋轉(zhuǎn)軌跡進(jìn)行跟蹤,它有一個旋轉(zhuǎn)的d-q軸和靜止的d-q軸,在PI控制器下的公式為

實際情況下三相電流分別為

ib=idssin (-120)+iqscos (-120)

ic=idssin (120)+iqscos (120)

三相abc坐標(biāo)軸與d-q坐標(biāo)軸的關(guān)系如圖1所示,轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩之間的解耦關(guān)系如圖2所示。

圖1 abc坐標(biāo)軸與d-q坐標(biāo)軸之間關(guān)系

圖2 轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩之間解耦關(guān)系

Fig.1 Relationship between abc axis and d-q axisx

轉(zhuǎn)子磁通為

ψr=Lm·ids/(1+Tr)

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子磁通的相位角為

θ=θr+θm=∫(ωr+ωm)dt

3 磁場定向控制系統(tǒng)

通過對逆變輸出的三相電流和電機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測,利用本文提出的控制方法對其進(jìn)行控制,使整個運行過程形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng),以此實現(xiàn)對電機速度的控制?？刂葡到y(tǒng)如圖3所示。

圖3 磁場定向控制系統(tǒng)圖

Fig.3 Magnetic field oriented control system diagram

在控制過程中,采用了可以調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度的電流調(diào)節(jié)器,滯后調(diào)制是一種能夠反饋電流的控制方法。電機的電流在滯環(huán)內(nèi)作為跟蹤的參考電流,實際測得的電機線電流與正弦基準(zhǔn)電流作比較得到所需頻率和幅度。如果電流超過電流滯帶的上限,逆變器上橋臂關(guān)斷,下橋臂打開,使電流開始減小,反之使電流增大。

使用這種控制策略的計算公式為

T=Kpe+Ki∫edt

它可以時刻更新PI調(diào)節(jié)器的輸出增益,既使存在非線性關(guān)系也能保持良好的控制性能[8]。在正常運行過程中,命令轉(zhuǎn)矩變化的值會被放大,如果控制器的增益超過了一定值,命令轉(zhuǎn)矩變化的值會變的太高,這樣會使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了克服這個問題,在前面添加了一個限制器,用其產(chǎn)生的速度誤差來限制。經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪x擇后,即使控制器增益變高,命令轉(zhuǎn)矩也會平滑地變化。當(dāng)電機速度達(dá)到基準(zhǔn)值并無過調(diào)后,跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差變?yōu)榱?這就意味著磁場定向控制方法能使電機速度達(dá)到所需速度要求。

圖4 磁場定向控制模型建立

4 模型的建立與仿真

通過上述研究建立了仿真模型,其中包含了設(shè)計的比例積分磁場定向控制器,如圖4所示,比例增益為166.2,積分增益為27 700。

經(jīng)過仿真之后的圖形如圖5、圖6所示。

圖5 速度正轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩變化

圖6 速度正反轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩變化

Fig.6 Torque change at motor corotation and reverse

當(dāng)初始速度為100 rad/s時,系統(tǒng)進(jìn)行控制與調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)矩開始迅速變化并時刻進(jìn)行調(diào)節(jié),使轉(zhuǎn)矩在很短時間就處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)所要求速度提升時,如圖5中在0.5 s時速度升至150 rad/s,系統(tǒng)隨時跟蹤調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)矩在短時間內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)后重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。而當(dāng)需要電機反轉(zhuǎn)時,轉(zhuǎn)矩也能時刻進(jìn)行調(diào)節(jié)并保持穩(wěn)定。如圖6所示,在0.5 s時速度變?yōu)?100 rad/s,系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤控制,轉(zhuǎn)矩同樣在短時間內(nèi)調(diào)節(jié)后重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。整個系統(tǒng)在磁場定向控制下不管電機正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),系統(tǒng)能時刻進(jìn)行跟蹤并及時進(jìn)行調(diào)整,使控制系統(tǒng)時刻處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 語

本文提出的基于磁場定向控制的PI調(diào)節(jié)器對電機速度的調(diào)節(jié)有較快的響應(yīng),相比其他的一些控制方法響應(yīng)更快,更準(zhǔn)確,控制效果更好。經(jīng)過模型的建立與仿真試驗,其結(jié)果表明:本文提出的這種方法能夠很好地對電機速度進(jìn)行調(diào)節(jié),并且使系統(tǒng)時刻保持穩(wěn)定性,實現(xiàn)了系統(tǒng)的魯棒性與高穩(wěn)定性,證明了所提出的方法可行。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Design of AC speed regulation system for motor based on field-oriented control

XU Liang, ZHANG Cong, ZHANG Ning

(School of Electrical & Control Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China)

In order to study the application of AC motor in high performance electric drive system, this paper introduced the simplified method, a method which used field-oriented control with a proportional-integral controller to control the three-phase AC speed regulation system, and established the simulation model. The simulation result shows that the model, with fast step response and high stability, can realize robust and high performance in four quadrants. The feasibility of the design process is proved as well.

field-oriented control; AC speed regulation; PI regulator

2015-07-20。

胥 良(1966—)，男，教授，研究方向為煤礦安全檢測與控制。

TP273

A

2095-6843(2016)01-0070-03