嚴(yán)金云，張興華，石 萬

(1.南京科技職業(yè)學(xué)院，南京 210048; 2.南京工業(yè)大學(xué),南京 211816)

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帶“抗飽和”轉(zhuǎn)速控制器的感應(yīng)電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

嚴(yán)金云1,2，張興華2，石 萬2

(1.南京科技職業(yè)學(xué)院，南京 210048; 2.南京工業(yè)大學(xué),南京 211816)

提出了一種帶“抗飽和”轉(zhuǎn)速控制器的感應(yīng)電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)及其數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)闡述了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理、硬件配置和軟件設(shè)計(jì)方法。以數(shù)字信號處理器TMS320F2812為主控制器，二電平IGBT逆變器為功率驅(qū)動單元，組成變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用“抗飽和”控制器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能。

感應(yīng)電動機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；抗飽和控制器；數(shù)字實(shí)現(xiàn)

0 引 言

直接轉(zhuǎn)矩控制(以下簡稱DTC)目前廣泛用于感應(yīng)電動機(jī)的驅(qū)動控制，它舍棄了矢量控制的解耦控制思想，是繼矢量控制技術(shù)之后的又一種高性能電機(jī)控制技術(shù)。它根據(jù)定子磁鏈誤差、轉(zhuǎn)矩誤差及定子磁鏈的空間位置，獲得所需的電壓空間矢量，對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，具有控制結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快和魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

典型的感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)，其內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制采用滯環(huán)比較器，不含PWM調(diào)制器，外環(huán)一般采用PI控制器作為轉(zhuǎn)速控制，并以電機(jī)參考轉(zhuǎn)矩給定值作為控制器輸出。轉(zhuǎn)速控制器的優(yōu)劣對調(diào)速系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能至關(guān)重要。外環(huán)轉(zhuǎn)速PI控制器采用線性系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)，未考慮被控對象輸入限幅，而實(shí)際電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)涉及逆變器的容量、電機(jī)額定功率和過流過壓保護(hù)等因素，轉(zhuǎn)速控制器的輸出都需要進(jìn)行限幅。當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速或負(fù)載突變時候，因輸出飽和限制，轉(zhuǎn)速控制器的輸出與被控對象的實(shí)際輸入并不相同，引起系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)的性能下降(實(shí)際表現(xiàn)為超調(diào)變大，調(diào)節(jié)時間變長，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定)，這種現(xiàn)象稱為飽和現(xiàn)象[3-4]。為了克服飽和現(xiàn)象的影響，人們提出一些用于感應(yīng)電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)“抗飽和”的控制方法[5-7]，它們不同程度地改善了電機(jī)的控制性能。

本文提出了一種帶“抗飽和”轉(zhuǎn)速控制器的感應(yīng)電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法及數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案。針對感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)，采用二電平IGBT逆變器為功率驅(qū)動，以TI公司的電機(jī)控制專用DSP芯片TMS320F2812為主控制器，轉(zhuǎn)速控制采用一種條件積分式“抗飽和”控制器，通過C語言與匯編語言混合編程來設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制軟件，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電動機(jī)高性能驅(qū)動調(diào)速控制。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理

1.1 感應(yīng)電動機(jī)模型

靜止坐標(biāo)系下以定子和轉(zhuǎn)子磁鏈為狀態(tài)變量的電機(jī)方程：

(1)

轉(zhuǎn)矩方程：

(2)

1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制策略

通常感應(yīng)電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行，為充分利用電機(jī)的定額，電機(jī)的磁鏈幅值應(yīng)保持不變。由式(2)可知，控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩主要是通過改變轉(zhuǎn)矩角δ來實(shí)現(xiàn)。

由于電機(jī)采用二電平電壓源逆變器驅(qū)動，逆變器的輸出只有8種開關(guān)狀態(tài)(6個非零矢量V1～V6，2個零矢量V0，V7)。輸出的電壓空間矢量Vm可表示：

(3)

式中：Vdc為直流母線電壓。

圖1是定子磁鏈和電壓矢量圖。逆變器的8種開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)于8個基本的電壓矢量(6個非零矢量V1～V6，2個零矢量V0，V7)，每兩個非零電壓矢量在空間上相隔60°電角度，圖中虛線將電壓矢量空間劃分為6個區(qū)間(SectorI～SectorVI)，表示空間區(qū)間的位置變量θs(N)可寫成：

(4)

式中：N=1, 2, …,6是區(qū)間號。

圖1 定子磁鏈?zhǔn)噶颗c空間電壓矢量

定子磁鏈觀測方程可表示：

(5)

式中：is=ids+jiqs為定子電流矢量。在忽略定子電阻壓降的情況下，將上式離散化，可得：

(6)

式中：Ts為采樣周期。

由式(6)可知，通過切換非零電壓空間矢量及零電壓空間矢量，能夠?qū)崿F(xiàn)定子磁鏈?zhǔn)噶孔咦咄Ｍ５目刂?，而轉(zhuǎn)子磁鏈在單個采樣周期內(nèi)，基本保持不變，從而改變了定子磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角(即轉(zhuǎn)矩角)，輸出轉(zhuǎn)矩得以控制。

圖2 感應(yīng)電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1為DTC系統(tǒng)中采用的開關(guān)邏輯表。當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大于給定值，適當(dāng)選擇電壓矢量可使得轉(zhuǎn)矩減小；反之，當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩小于給定值，適當(dāng)選擇電壓矢量可使得轉(zhuǎn)矩增大。

表1 開關(guān)邏輯表

2 “抗飽和”轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì)

為了提高電機(jī)轉(zhuǎn)速控制性能，本文采用了一種條件積分式“抗飽和”PI調(diào)節(jié)器作為轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。該控制器根據(jù)輸出值us是否超出限幅值，決定是否加入積分環(huán)節(jié)。當(dāng)輸出值超出限幅值時，則有us≠un，經(jīng)過比較器判斷，斷開開關(guān)S，去掉積分環(huán)節(jié)，此時控制器相當(dāng)于一個比例調(diào)節(jié)器，以使控制器快速退出飽和區(qū)，從而改善轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)性能；當(dāng)輸出值未超出限幅值時，則有us=un，閉合開關(guān)S，此時控制器相當(dāng)于一個比例積分調(diào)節(jié)器，以提高轉(zhuǎn)速控制器的穩(wěn)態(tài)精度[8]。

圖3 抗飽和轉(zhuǎn)速控制器

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件組成

本控制系統(tǒng)是以TI公司的高性能電機(jī)專用控制芯片TMS320F2812型DSP為核心構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺，具體硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括控制電路和功率驅(qū)動電路。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4中，控制電路主要由TMS320F2812芯片、仿真器接口JTAG、256k字外部SRAM、30 MHz晶振等構(gòu)成，其核心為TMS320F2812型DSP，它是一種高性能電機(jī)專用控制芯片，運(yùn)算能力強(qiáng)，最高工作頻率可達(dá)150 MHz[9]。主要進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)時計(jì)算、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測、故障診斷、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、PWM波輸出、與上位機(jī)通信及顯示、以及硬件保護(hù)(過壓、過電流、短路和過熱保護(hù))等工作。

圖4中，功率驅(qū)動電路主要由電源模塊、光耦隔離電路、整流器、電容濾波電路和IGBT逆變器、電壓電流檢測電路(1個電壓傳感器和2個電流傳感器)等構(gòu)成。電源模塊為控制系統(tǒng)及相關(guān)保護(hù)單元提供+15 V、+5 V和+3.3 V的直流電源；光耦隔離電路可防止低壓控制電路與高壓驅(qū)動電路因電的連接而引起干擾。通過有序控制逆變器功率管通斷，實(shí)現(xiàn)直流電到交流電的逆變。鑒于同一橋臂上下兩個開關(guān)管不允許同時導(dǎo)通，因此需要對PWM波進(jìn)行死區(qū)設(shè)置；系統(tǒng)采用電阻分壓檢測直流母線電壓，采用2個霍爾傳感器分別來檢測a、b相電流。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制軟件主要包括主程序和PWM中斷服務(wù)子程序。主程序主要實(shí)現(xiàn)DSP各功能模塊的初始化，包括PIE控制寄存器、中斷向量表、CPU定時器、EVA事件管理器、I/O口和A/D采樣初始化等。為了減少中斷服務(wù)子程序的運(yùn)行時間，保證中斷的及時響應(yīng)，將一些常量的賦值也放在主程序中完成，軟件流程圖如圖5所示。PWM中斷服務(wù)子程序是DTC實(shí)現(xiàn)的核心程序，它首先讀取電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速、直流母線電壓和相電流檢測值，其次計(jì)算出在靜止兩相坐標(biāo)系垂直軸上的電壓和電流分量，計(jì)算定子磁鏈幅值，并判斷出定子磁鏈所在扇區(qū)號，然后由“抗飽和”轉(zhuǎn)速控制器得到轉(zhuǎn)矩給定值，再將磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差送入滯環(huán)比較器，最后查詢開關(guān)表，確定下一個控制周期所需的電壓空間矢量(對應(yīng)于逆變器的一種開關(guān)狀態(tài))，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。

(a) 主程序

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中PWM采樣周期Ts=100 μs，電機(jī)給定轉(zhuǎn)速70 rad/s，定子磁鏈給定值λs=0.65 Wb。轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度εT=0.2 N·m，定子磁鏈滯環(huán)寬度εψ=0.02 Wb。轉(zhuǎn)速控制器參數(shù)Kp=0.28，Ki=0.07，輸出轉(zhuǎn)矩限幅Temax=±3.5 N·m，轉(zhuǎn)速控制周期取為10Ts。選用的感應(yīng)電動機(jī)參數(shù)如下：額定功率PN=0.55 kW，額定電壓UN=220/380 V，額定轉(zhuǎn)速為nN=1 390r/min，額定轉(zhuǎn)矩TN=3.5N·m，定、轉(zhuǎn)子電阻為Rs=12.8，Rr=4.66，互感Lm=0.73H，定、轉(zhuǎn)子電感為Ls=0.785H，Lr=0.785H，粘滯摩擦系數(shù)b=0.001N·m·s，電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量J=0.035kg·m2(實(shí)驗(yàn)時電機(jī)的等效總轉(zhuǎn)動慣量J因連接了加載磁粉制動器變大了)。電機(jī)起動采用先建立磁鏈，然后切入直接轉(zhuǎn)矩控制的方法。本實(shí)驗(yàn)利用TMS320F2812的串行通信口，實(shí)時將采集到的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。

圖6為帶抗飽和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的感應(yīng)電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中圖6(a)為感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線，從中可見電機(jī)加速上升時，轉(zhuǎn)速響應(yīng)無超調(diào)，大約經(jīng)過0.8s達(dá)到穩(wěn)態(tài)，電機(jī)起動時直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)很快，轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速控制的穩(wěn)態(tài)誤差較小；圖6(b)為定子磁鏈軌跡，其形狀接近于圓形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)速系統(tǒng)的控制性能優(yōu)良。

(a)速度與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線(b)定子磁鏈軌跡

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 語

本文從電機(jī)的離散數(shù)學(xué)模型入手，分析了感應(yīng)電動機(jī)的DTC原理及控制系統(tǒng)構(gòu)成，給出了一種帶“抗飽和”轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案。這種帶“抗飽和”轉(zhuǎn)速控制器的DTC系統(tǒng)具有控制結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無超調(diào)的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文控制方法的有效性。

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A Novel Direct Torque Control System of Induction Motors with Anti-Windup Speed Controller

YANJin-yun1,2,ZHANGXing-hua2,SHIWan2

(1.Nanjing Polytechnic Institute,Nanjing 210048,China; 2.Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

A novel direct torque controlled induction motor system with anti-windup speed controller and its digital implementation scheme were proposed in this paper. The work principle, hardware structure and software design were described in detail. The variable frequency driving system was composed with TMS320F2812 DSP and two-level IGBT inverter unit. And the anti-windup PI controller was employed to regulate the motor speed. The experimental results show that the proposed driving system possesses the good dynamic and steady performance.

induction motor; direct torque control; anti-windup controller; digital implementation

2014-12-11

TM346

A

1004-7018(2016)01-0055-04

嚴(yán)金云(1972-), 副教授, 研究方向?yàn)殡姍C(jī)節(jié)能控制。