异步电机直接转矩控制的ISR方法研究

异步电机直接转矩控制的 ISR 方法研究 直接转矩控制 转矩脉动 1 引言 目前 矢量控制 VC 和直接转矩控制 DTC 已经被人们公认为是高性能的交流变频调 速技术 矢量控制系统采用转子磁链定向 实现了定子电流转矩分量与磁链分量的解耦 可以 按线性理论分别设计转速与磁链调节器 一般采用 PI 调节器 实行连续控制 从而获得较宽 的调速范围 但系统易受转子参数变化的影响 直接转矩控制系统则舍去比较复杂的旋转坐标 变换 直接在定子静止坐标系上 计算电磁转矩和定子磁链 并用双位式 bang bang 控制对转 矩和磁链进行调解 受电机参数影响较小 转矩响应快 但由于 bang bang 控制本身属于 P 控 制 不可避免地产生转矩脉动 影响系统低速性能 本文介绍的 ISR Indirekte Selbst Regelung 控制策略能有效地减小直接转矩控制中转矩的脉动 具有良好的低速性能及动 静 态特性 2 异步电动机动态模型 在定子两相静止坐标系 中的异步电动机电压方程及电磁转矩方程可表示为 u s Rsi s P s 1 u s Rsi s P s 2 3 其中 u s u s i s i s s s 分别是 坐标系下定子侧电压 电流 磁链的 轴 分量 Rs 为定子电阻 np 为电机极对数 p 为微分算子 为电机漏电感为常数 为定子磁链 与转子磁链的夹角 由式 1 2 式我们可以得到定子两相静止坐标系下定子磁链可表示为 4 5 直接转矩控制的主电路图如图 1 所示 图 1 直接转矩控制主电路图 其中逆变器的 8 种开关状态对应了 8 组电压矢量 如表 1 所示 1 表 1 电压矢量表 表 2 逆变器电压矢量选择表 为了方便控制定子磁链和电磁转矩 我们把磁链空间矢量划分为 6 个均等的区域 划分原则是 6 K 为扇区号 K 1 2 3 4 5 6 如图 2 所示 在每个扇区内针对磁链和转矩的不同情况选择不同的 电压矢量 图 3 为 bang bang 控制方案 图 2 扇区及电压矢量图 图 3 bang bang 控制 3 传统的 bang bang 滞环控制策略 3 1 对定子磁链的控制 由式 4 5 可构建出定子磁链的计算模型 从而得到定子磁链的实际值 s 图 4 为定 子磁链滞环控制图 图 5 为电磁转矩滞环控制图 图 4 定子磁链滞环控制图 图 5 电磁转矩滞环控制图 磁链滞环的输入是磁链给定值 s 与磁链实际值 s 之差 输出是磁链开关信号 H 是滞环 宽度 定义磁链误差为 s s 则磁链调节器的控制方法如下 1 当 时 H 1 此时选择电压矢量使得 s 增加 2 当 时 H 1 此时选择电压矢量使得 s 减小 3 2 对电磁转矩的控制 转矩调节器的输入是转矩给定值 Te 与转矩实际值 Te 之差 输出开关信号 HTe 容差宽度是 调节器采用离散的三点式调解方式 矩误差为 T Te Te 则转矩调节器控制规律如下 当 T 时 HTe 1 当 T 时 HTe 0 当 T 时 HTe 1 得到磁链和转矩的输出信号后我们可以按照表 2 选择对应的定子电压矢量 当定子磁链和电磁转矩达到滞环上下限时 控制器调节定子电压矢量使磁链和转矩满足设定要 求如图 3 所示 4 基于 PI 调节器的新型控制方案 对式 4 5 我们忽略定子电阻我们可以近似得到 7 8 对 7 8 进行变形 我们得到 9 我们可以看出在忽略定子电阻压降时 单位时间内定子磁链的变化量为加在定子侧的电压矢 量 即磁链的轨迹可由单位时间内的定子电压矢量决定 2 3 如图 6 在滞环控制中 只有当转矩或磁链达到所设定的滞环宽度后 调节器才进行调解 而在新方案 中定子磁链和电磁转矩的调节是以单位采样时间进行的 从而使调节更加精细 从而减小了转 矩的脉动 此外 由于定子侧电压矢量的调节是以单位时间进行的 故逆变器的开关频率为常 数 解决了传统 DTC 控制开关频率不固定的缺点 用 PI 调节器代替滞环控制的结构如图 7 所 示 图 6 单位时间内磁链变化 图 7 定子磁链 PI 调节器控制 磁链调节具体的控制策略为 磁链的计算值与给定值进行比较 若 PI 输出大于零 则令 H 1 此时需要增大定子磁链 直到 PI 输出为零 当 PI 输出小于零 则令 H 1 此时需要 减小磁链直至 PI 输出为零 同理 转矩的计算值与给定值进行比较 对于转矩调节 若 PI 输 出大于零 则令 HTe 1 此时需要增大电磁转矩 直到 PI 输出为零 当 PI 输出小于零 则令 HTe 1 此时需要减小磁链直至 PI 输出为零 在 matlab 的具体实现如图 8 所示 转矩调节器与磁链调节器结构相同 图 8 matlab 中磁链调解器 5 仿真波形对比与分析 对异步电动机直接转矩 bang bang 控制与 PI 控制进行 matlab 仿真比较 在相同的采样步长 下 控制过程转矩变化如图 9 所示 电机先以最大转矩达到设定转速 然后稳定 在 PI 控制与 bang bang 控制对比中我们很清楚的看到 PI 控制的转矩脉动要比 bang bang 控制平滑的多 如 图 10 所示 图 9 异步电机直接转矩控制的转矩波形 图 10 bang bang 控制与 PI 控制转矩波形放大图 从图 11 的转速响应曲线来看 转速由 10rad s 到 20rad s 用时 5ms 表明该系统具有良好的 动静态特性 从图 12 a 与图 12 b 我们可以看出 基于 PI 控制的电流曲线要比基于 bang bang 控制的 电流曲线平滑的多 这说明 PI 控制不仅在转矩控制上而且在电流上也优于滞环控制 图 11 异步电机直接转矩控制转速响应曲线 图 12 a PI 控制的电流曲线 图 12 b bang bang 控制的电流曲线 6 结束语 在系统处于空载