郭忠林

(西華大學材料科學與工程學院， 四川 成都 610039)

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·機電工程·

一種新型的異步電機SVM-DTC方法

郭忠林

(西華大學材料科學與工程學院， 四川 成都 610039)

為解決傳統(tǒng)SVM-DTC控制方法在低速時穩(wěn)定比較困難的問題，提出一種新型SVM-DTC控制方法。采用閉環(huán)控制的磁鏈估算新方法，克服在開環(huán)控制中磁鏈估算帶來的飽和或直流漂移等缺點；在空間矢量調(diào)制中用模糊控制器替代傳統(tǒng)的PI控制器，使轉(zhuǎn)矩誤差最小，保持恒定的開關頻率。實驗結果表明，在低速時，該方法比傳統(tǒng)方法的磁鏈脈動和轉(zhuǎn)矩脈動分別減少25 %和33 %，能消除直流漂移等問題，提高系統(tǒng)的控制性能。

空間矢量；直接轉(zhuǎn)矩控制；閉環(huán)定子磁鏈估算；模糊控制

直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control, DTC)具有動態(tài)響應速度較快、對電機參數(shù)依賴性小、不需要復雜的坐標變換等特點，在交流調(diào)速中得到大量應用。為解決傳統(tǒng)DTC方案轉(zhuǎn)矩脈動大、開關頻率不穩(wěn)定等問題，出現(xiàn)了很多改進的DTC控制方案?？臻g矢量調(diào)制技術(space vector modulation, SVM)是其中的一種。它可在不改變系統(tǒng)硬件結構的條件下獲得更多連續(xù)變化的電壓空間矢量，如圖1所示。文獻[1]采用改進的空間電壓矢量開關表以獲得最合適的電壓矢量從而得到更準確的轉(zhuǎn)矩、磁鏈控制。文獻[2]根據(jù)定子磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差，應用模糊邏輯控制得到電機期望的空間電壓矢量，獲得了較好的穩(wěn)態(tài)性能；但無法對PI參數(shù)進行自整定，且在低速時控制性能較差。文獻[3]采用一種改善異步電動機定子磁鏈觀測器精度的方法，對于辨識定子電阻奠定了一定基礎。文獻[4]將一簡單的SVM策略引入DTC系統(tǒng)中，采用空間調(diào)制獲得空間電壓矢量的優(yōu)化組合，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩、磁鏈誤差的精確補償。文獻[5]采用變結構控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)矩脈動和磁鏈減小。這些空間矢量調(diào)制的應用，均能夠提高DTC系統(tǒng)的動態(tài)響應和魯棒性[6]。

為減小轉(zhuǎn)矩脈動、提高系統(tǒng)的控制性能，本文提出一種新的SVM-DTC方法。它一方面采用定子磁鏈閉環(huán)替代開環(huán)控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，另一方面在空間矢量調(diào)制中用模糊控制器替代了傳統(tǒng)的PI控制器，使轉(zhuǎn)矩脈動最小化，保持了恒定的開關頻率。實驗結果表明，該方法在低速下較常規(guī)的PI控制器性能更優(yōu)，魯棒性更強。

圖1　傳統(tǒng)的SVM-DTC結構框圖

1　異步電機模型

異步電機在d-q坐標系下的表達式[6]為：

(1)

(2)

ψsdq=LsIsdq+LmIrdq；

(3)

ψrdq=LrIrdq+LmIsdq；

(4)

(5)

(6)

式中：Rs、Rr為定子和轉(zhuǎn)子電阻；Ls，Lr，Lm為定、轉(zhuǎn)子電感和互感；ψrdq為d-q坐標系下的定、轉(zhuǎn)子磁鏈；ψsd,ψsq為d-q坐標系下d軸和q軸的定子磁鏈；Isdq,Irdq為d-q坐標系下定、轉(zhuǎn)子電流；Isd,Isq為d-q坐標系下d軸和q軸的定子電流；p為極對數(shù)；Te、Tl為電機的電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩；ωs、ωr為定子、轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度；J為轉(zhuǎn)動慣量。

2　新型SVM-DTC的設計

2.1磁鏈觀測器的設計

由式(1)—(4)可得：

轉(zhuǎn)子磁鏈方程為

(7)

定子磁鏈方程為

(8)

將式(7)代入式(8)得

(9)

為修正定子磁鏈的幅值，補償在低速時純積分器帶來的磁鏈誤差，本文在新型磁鏈估算器中采用的PI控制器，如圖2所示，可得：

(10)

磁鏈誤差為

Δψs(s)=ψs(s)-ψs*(s)。

(11)

低通濾波器產(chǎn)生的交流成分的幅值和相移都要隨著輸入信號頻率ω的不同分別有不同的衰減。為克服這個缺點，在圖2設計了一種定子磁鏈閉環(huán)控制方法，即把ψsd、ψsq進行笛卡兒坐標到極坐標的轉(zhuǎn)換，變換成幅值和相角信號，用飽和限幅器控制其輸出，解決在開環(huán)控制中磁鏈估算帶來的飽和或直流漂移等缺點，然后再通過極坐標到笛卡兒坐標的轉(zhuǎn)換輸出保持原來反饋的相位和限幅的輸出。

通過這2次坐標變換可有效地解決純積分器中直流限幅基準選擇不當使相位誤差增大，導致輸出信號波形畸變的問題。基于新型定子磁鏈模型估算的控制框圖如圖2所示。

由圖2可得在d-q坐標系下定子磁鏈

(12)

式中：1/(s+ωc)為低通濾波器；ωc為截止頻率。

將式(10)、(11)代入式(12)可得

圖2新型磁鏈估算器

(13)

整理后得到：

(14)

(15)

整理式(15)，可得定子磁鏈傳遞函數(shù)，為

(16)

根據(jù)式(16)可得到閉環(huán)磁鏈估算結構圖，如圖3所示。

圖3　閉環(huán)磁鏈結構圖

在d-q坐標系變換中：

ψs*(s)=ψsd·cosθs；

(17)

θs=ωsTs≌0。

(18)

由式(17)和(18)得到

ψs*(s)=ψsd。

(19)

將式(19)代入式(15)可得

(20)

整理后得到

(21)

由式(21)可得新型磁鏈估算器中PI控制器的參數(shù)：

(22)

(23)

2.2模糊控制器設計

在電壓模塊Usd、Usq的估算中，本文采用模糊控制器替代傳統(tǒng)PI控制器。在模糊控制器輸入方面，一是為減少轉(zhuǎn)矩脈動，將轉(zhuǎn)矩誤差ΔTe和轉(zhuǎn)矩誤差變化率dΔTe作為其中一個模糊控制器的輸入；二是為減少定子電流的諧波畸變，將定子磁鏈誤差Δψe和定子磁鏈誤差變化率dΔψe作為另一個模糊控制器的輸入。為使轉(zhuǎn)矩誤差最小化，轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差均歸一化在[-1，+1]之間，轉(zhuǎn)矩誤差變化率和磁鏈誤差變化率均歸一化在[-0.01，+0.01]之間，這樣可以有效減少轉(zhuǎn)矩脈動和保持恒定的開關頻率。其隸屬度函數(shù)、輸出電壓和模糊控制規(guī)則如圖4所示。

(a)轉(zhuǎn)矩誤差ET隸屬度函數(shù)

(b)轉(zhuǎn)矩誤差變化率dET隸屬度函數(shù)

(c)Usq輸出電壓隸屬度函數(shù)

dETETNBNSZZPSPBNBSSMMBNSSMMBVBZZMMBVBVBPSMBVBVBVVBPBBVBVBVVBVVB

(d)模糊控制器規(guī)則圖

(e)磁鏈誤差EF隸屬度函數(shù)

(f)磁鏈誤差變化率dEF變化率

(g)Usd輸出電壓隸屬度函數(shù)

dEFEFNBNSZZPSPBNBSSMMBNSSMMBVBZZMMBVBVBPSMBVBVBVVBPBBVBVBVVBVVB

(h)模糊控制器規(guī)則圖

圖4模糊控制器

2.3新型SVM-DTC結構框圖

新型SVM-DTC對傳統(tǒng)SVM-DTC進行了改進，具體表現(xiàn)在：1)采用閉環(huán)控制的磁鏈估算新方法，以克服在開環(huán)控制中磁鏈估算帶來的飽和或直流漂移等缺點；2)在空間矢量調(diào)制中用模糊控制器替代傳

統(tǒng)的PI控制器，以減少轉(zhuǎn)矩誤差?；诟倪M的磁鏈觀測器和模糊控制器的設計結構框圖如圖5所示。

圖5　新型SVM-DTC結構框圖

3　實驗

仿真時實驗參數(shù)[7]如表1所示。

表1　實驗參數(shù)

3.1實驗建模

為驗證新方法的可行性，利用MATLAB/Simulink對異步電機傳統(tǒng)的SVM-DTC和新型SVM-DTC進行仿真[8-10]。為防止電機在啟動時反轉(zhuǎn)，在速度環(huán)上加了低通濾波器，設置截止頻率ωc=20 rad/s，采用ode23t算法，采樣步長為10 μs。仿真建模結構如圖6所示。

圖6新型SVM-DTC仿真建模圖

3.2實驗結果

從圖(7)—(9)可以看出：在磁鏈軌跡曲線中傳統(tǒng)方法磁鏈寬度大體成一個圓形，磁鏈誤差為0.05 Wb，圓邊上有很多不規(guī)則的毛刺，新型SVM-DTC磁鏈軌跡則是一個相對規(guī)則平滑的圓形，磁鏈誤差僅為0.02 Wb，磁鏈誤差減少了150 %；在速度曲線中，傳統(tǒng)方法在0.2 s達到穩(wěn)定前有一個抖動，在2.2 s后有不穩(wěn)定的抖動，新型SVM-DTC方法轉(zhuǎn)子在0.2 s便達到了穩(wěn)定，且一直保持穩(wěn)定；在轉(zhuǎn)矩誤差曲線中，傳統(tǒng)的SVM-DTC在2.2 s后由0.2 N·m變化到了-2 N·m，導致功率器件開關頻率變化，控制性能變差，新型SVM-DTC在啟動后很快便達到了0.2 N·m，且一直保持穩(wěn)定，能保持一個穩(wěn)定的開關頻率。

(a)傳統(tǒng)SVM-DTC磁鏈軌跡

(b) 新型SVM-DTC磁鏈軌跡圖7　傳統(tǒng)SVM-DTC和新型SVM-DTC磁鏈軌跡

(a)傳統(tǒng)SVM-DTC轉(zhuǎn)子速度響應

(b) 新型SVM-DTC轉(zhuǎn)子速度響應

圖8傳統(tǒng)SVM-DTC和新型SVM-DTC轉(zhuǎn)子速度響應

(a)傳統(tǒng)SVM-DTC轉(zhuǎn)矩誤差曲線

(b) 新型SVM-DTC轉(zhuǎn)矩誤差曲線圖9　傳統(tǒng)SVM-DTC和新型SVM-DTC轉(zhuǎn)矩誤差曲線

為進一步驗證在低速時新型SVM-DTC的控制性能，仿真時將轉(zhuǎn)速ωr設置為25 rad/s，其仿真結果如圖(10)—(13)所示。

圖10　磁鏈軌跡

圖11　轉(zhuǎn)子速度響應曲線

圖12　電磁轉(zhuǎn)矩響應曲線

圖13　轉(zhuǎn)矩誤差曲線

從圖(10)—(13)可以看出，電機在低速時(25 rad/s)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩能在很短時間內(nèi)得到響應，磁鏈誤差為0.04 Wb，磁鏈脈動減小了25 %，轉(zhuǎn)矩誤差僅為0.15 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動減小了33%。

4　結 論

本文提出一種新型SVM-DTC的方法，一方面采用閉環(huán)控制的磁鏈估算方法，克服了在開環(huán)控制中磁鏈估算帶來的飽和和直流漂移等缺點，另一方面在空間矢量調(diào)制中用模糊控制器替代了傳統(tǒng)的PI控制器，使轉(zhuǎn)矩脈動最小化，保持了恒定的開關頻率。仿真結果表明，新型SVM-DTC動態(tài)響應速度快，轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動都得到了減小，在低速時能夠得到較理想的控制性能。該設計為更深入實際地研究直接轉(zhuǎn)矩控制的應用開辟了新思路。

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(編校：饒莉)

A Novel SVM-DTC Method for Asynchronous Motor

GUO Zhonglin

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

A kind of SVM-DTC approach is presented to overcome the shortcoming of conventional SVM-DTC ways, i.e., stable difficulty in low speed. As for the proposed approach, closed loop control is utilized to estimate stator flux and this can overcome the drawbacks of the stator flux estimation in open loop control, such as flux saturation and dc drift. And fuzzy logic controller replaces the conventional PI controller to minimize the torque ripple and remain a constant switching frequency. The simulation results show that the proposed control method can decrease the flux ripple and torque ripple by 25 % and 33 % respectively, and eliminate dc drift in low-speed, and improve the system control performance.

space vector modulation；direct torque control；the closed loop stator flux estimation；fuzzy logic control

2015-07-20

四川省信號與信息處理重點實驗室開放課題資助(szjj2014-021)。

郭忠林(1978—)，男，講師，碩士，主要研究方向為電力電子與電力傳動。E-mail :14023027@qq.com

TM343

A

1673-159X(2016)04-0092-6

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.04.019