论文部分内容阅读
摘要：传统异步电动机直接转矩控制系统中存在磁链观测误差，在传统算法的基础上，对磁链观测中纯积分导致的直流漂移和积分初值问题以及定子电阻变化的影响进行优化。用交换低通滤波环节与补偿环节的相对位置来代替纯积分，从而优化积分效果。由结果可知，有效的抑制力直流漂移，提高了磁链观测的准确性。
关键词：直流漂移；纯积分；磁链观测
引 言
直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）变频调速，是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。直接转矩控制的特征是控制定子磁链，是直接在定子静止坐标系下，以空间矢量概念，通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩，获得转矩的高动态性能。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量变换中的许多复杂计算，它也不需要模仿直流电动机的控制，从而也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，而只需关心电磁转矩的大小，因此控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便地估算出同步速度信息，同时也很容易得到转矩模型，磁链模型和转矩模型就构成了完整的电动机模型，因而能方便地实现无速度传感器控制，如果在系统中再设置转速调节器，即可进一步得到高性能动态转矩控制了。
1 异步电动机直转矩的基本控制原理
八十年代由于Holtz和Muari等学者的卓越工作促使瞬间电压空间矢量理论取得了充分的发展，使得人们对电机一逆变器系统有了更深入的了解，通过控制逆变器的开关状态可以实现对电机瞬时空间矢量的调节，从而实现对磁链的控制和调节，人们称此为“磁链自控制”理论，用此理论可以保持定子磁链幅值恒定，再通过调节零电压矢量的作用时间，就可以控制磁链的平均旋转速度，就可以改变瞬时滑差频率以达到控制转矩的目的。
1）磁链、转矩观测器：电流、电压通过采样经过3/2变化出相应的值，通过电机数学模型计算出异步电机的定子磁链和转矩；
2）磁链位置检测单元：根据定子磁链的α和β分量，确定定子磁链所在区段，给出定子磁链的位置；
3）转速调节器：形成反馈环节，通过比较反馈转速与给定转速来调节输出转矩，形成对转速的控制；
4）磁链调节器：用两点式控制直接转矩控制系统，来控制定子磁链在初始值周围的变换，给出磁链的控制信号；
5）转矩调节器：利用转速调节器输出的给定转矩，采用三点式滞环控制，输出转矩控制信号，直接控制电机的转矩；
6）开关状态选择单元：根据定子磁链和转矩的控制信号以及定子磁链位置，输出合适的开关状态S来控制逆变器驱动电机稳定运行。
2 定子磁链算法的研究与改进
直接转矩控制（DTC）是继矢量控制之后发展起来的另一种高性能的交流电机控制方法。是采用定子磁场定向实现对磁链和转矩的直接控制。所以要想提高直接转矩控制效果需要更好的对定子磁链的观测。
2.1 纯积分器观测法
从时域上看，纯积分器的极点在S 平面的原点，因此决定了纯积分器对反电动势中的定子电阻变化和直流偏移比较敏感，尤其对电机低速运行时的性能影响严重。
2.2 阈值固定型积分器观测法
采用阈值固定型积分器算法，可以消除纯积分器初值不准确、直接偏移和误差积累等对定子磁链估计的影响，同时对磁链相位没有影响。磁链相位通過两次坐标变换后仍然保持原来反馈输入磁链的相位，避免了磁链波形的畸变，提高了磁链观测的精度。
2.3新型改进积分器观测法
阈值固定型积分器虽然具有较好的直流偏移抑制能力，但它的动态性能较差，当电机转速变化时，定子电压频率会随之发生变化，磁链估算会出现较大误差，在低速时问题尤其突出。而且反馈回路比较复杂。针对上述问题，本文提出了一种新型改进积分器，通过简单交换磁链观测器中低通滤波器与补偿环节的顺序，首先对定子感应电势进行相位和幅值补偿，再通过低通滤波器获得定子磁链，改善了传统改进积分器的动态性能，进一步提高了磁链观测精度。
3直接转矩控制系统仿真模型
本文的仿真均基于MatlabR2012b，在Simulink环境下用S函数和通用模块共同构成异步电动机DTC仿真系统。本文构建了如图3所示的DTC仿真系统。这是一个简单的圆形磁链的仿真结构。它结构清晰，均采用模块化设计，通用性好；各物理量通过示波器和双轴图形等直接显示；运行时间作为变量引入仿真过程。基于此系统能很好地开展各种直接转矩控制算法的研究。
图3 DTC仿真系统
3.1 异步电动机仿真模型
在DTC系统中，一个完整的异步电动机数学模型应包括电压一电流方程、定子磁链观测方程、电磁转矩方程和机电运动方程。为了实现仿真系统的模块化，将异步电动机模型做成封装子系统的形式并且更改电机参数十分方便。
3.2 定子磁链观测器模型
定子磁链观测如前所分析，采样改进的积分法模型，其在simulink中的构建，给出的是定子磁链模型及3—2坐标变换。
4 仿真结果
本仿真系统的参数完全参照实验装置的参数。选择功率为2.2kW的异步电动机，定子电阻Rs=2.5，转子电阻Rr=2.7，定子电感Ls=0.333H，转子电感Lr=0.333H，互感Lm=0.31942H，机械转动惯量J=0.0086 kg.m2，极对数Pn=2；负载转矩TL=20N.m；逆变器直流侧电压Ud=308V；额定转速ne=1200r/min磁链给定1Wb；转矩容差T =0.1N·m；转速PI调节器的参数是可以变化的，根据负载、调速等情况具体选择。
本文对以下两种情况进行了仿真：
（1）转矩负载为零，仿真过程中没有变化，仿真结果见图4.1所示；
（2）转矩负载初始值为零，0.15秒钟后，当电机转速达到给定值的时候，转矩发生跳变，变成了20N·M，仿真结果见图5-6所示。
首先要说明的是图4.1和图4.2中各个图形中的横坐标都是仿真所用的时间—单位为秒（s）
（A）—定子磁链 （B）—电机的定子电流
（C）—电机转速 （D）—电机转矩
图4.1 负载为零时的仿真结果
（A）—定子磁链 （B）—电机的定子电流
（C）—电机转速 （D）—电机转矩
图4.2 电机负载变化时的仿真结果
从仿真结果可以看出，系统的动态和稳态时的性能优良。对磁链响应来说，系统外部情况的变化对磁链的影响很小。
从图中系统空载和突加负载的仿真结果可以看到，转矩也基本上被限制在了容差范围以内，虽然没能严格地控制在滞环宽度内，但变化平稳。
总之，采用本文中所设计的控制策略进行的直接转矩仿真，所得到的系统的动静态特性都很优良，与理论分析的结果基本吻合。
5 结束语
本文通过对磁链观测中纯积分导致的直流漂移和积分初值问题以及定子电阻变化的影响进行优化，有效的抑制力直流漂移，提高了磁链观测的准确性。进一步抑制饿转矩波动和电流畸变，通过实验结果证明方案具有可实行性。
关键词：直流漂移；纯积分；磁链观测
引 言
直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）变频调速，是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。直接转矩控制的特征是控制定子磁链，是直接在定子静止坐标系下，以空间矢量概念，通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩，获得转矩的高动态性能。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量变换中的许多复杂计算，它也不需要模仿直流电动机的控制，从而也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，而只需关心电磁转矩的大小，因此控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便地估算出同步速度信息，同时也很容易得到转矩模型，磁链模型和转矩模型就构成了完整的电动机模型，因而能方便地实现无速度传感器控制，如果在系统中再设置转速调节器，即可进一步得到高性能动态转矩控制了。
1 异步电动机直转矩的基本控制原理
八十年代由于Holtz和Muari等学者的卓越工作促使瞬间电压空间矢量理论取得了充分的发展，使得人们对电机一逆变器系统有了更深入的了解，通过控制逆变器的开关状态可以实现对电机瞬时空间矢量的调节，从而实现对磁链的控制和调节，人们称此为“磁链自控制”理论，用此理论可以保持定子磁链幅值恒定，再通过调节零电压矢量的作用时间，就可以控制磁链的平均旋转速度，就可以改变瞬时滑差频率以达到控制转矩的目的。
1）磁链、转矩观测器：电流、电压通过采样经过3/2变化出相应的值，通过电机数学模型计算出异步电机的定子磁链和转矩；
2）磁链位置检测单元：根据定子磁链的α和β分量，确定定子磁链所在区段，给出定子磁链的位置；
3）转速调节器：形成反馈环节，通过比较反馈转速与给定转速来调节输出转矩，形成对转速的控制；
4）磁链调节器：用两点式控制直接转矩控制系统，来控制定子磁链在初始值周围的变换，给出磁链的控制信号；
5）转矩调节器：利用转速调节器输出的给定转矩，采用三点式滞环控制，输出转矩控制信号，直接控制电机的转矩；
6）开关状态选择单元：根据定子磁链和转矩的控制信号以及定子磁链位置，输出合适的开关状态S来控制逆变器驱动电机稳定运行。
2 定子磁链算法的研究与改进
直接转矩控制（DTC）是继矢量控制之后发展起来的另一种高性能的交流电机控制方法。是采用定子磁场定向实现对磁链和转矩的直接控制。所以要想提高直接转矩控制效果需要更好的对定子磁链的观测。
2.1 纯积分器观测法
从时域上看，纯积分器的极点在S 平面的原点，因此决定了纯积分器对反电动势中的定子电阻变化和直流偏移比较敏感，尤其对电机低速运行时的性能影响严重。
2.2 阈值固定型积分器观测法
采用阈值固定型积分器算法，可以消除纯积分器初值不准确、直接偏移和误差积累等对定子磁链估计的影响，同时对磁链相位没有影响。磁链相位通過两次坐标变换后仍然保持原来反馈输入磁链的相位，避免了磁链波形的畸变，提高了磁链观测的精度。
2.3新型改进积分器观测法
阈值固定型积分器虽然具有较好的直流偏移抑制能力，但它的动态性能较差，当电机转速变化时，定子电压频率会随之发生变化，磁链估算会出现较大误差，在低速时问题尤其突出。而且反馈回路比较复杂。针对上述问题，本文提出了一种新型改进积分器，通过简单交换磁链观测器中低通滤波器与补偿环节的顺序，首先对定子感应电势进行相位和幅值补偿，再通过低通滤波器获得定子磁链，改善了传统改进积分器的动态性能，进一步提高了磁链观测精度。
3直接转矩控制系统仿真模型
本文的仿真均基于MatlabR2012b，在Simulink环境下用S函数和通用模块共同构成异步电动机DTC仿真系统。本文构建了如图3所示的DTC仿真系统。这是一个简单的圆形磁链的仿真结构。它结构清晰，均采用模块化设计，通用性好；各物理量通过示波器和双轴图形等直接显示；运行时间作为变量引入仿真过程。基于此系统能很好地开展各种直接转矩控制算法的研究。
图3 DTC仿真系统
3.1 异步电动机仿真模型
在DTC系统中，一个完整的异步电动机数学模型应包括电压一电流方程、定子磁链观测方程、电磁转矩方程和机电运动方程。为了实现仿真系统的模块化，将异步电动机模型做成封装子系统的形式并且更改电机参数十分方便。
3.2 定子磁链观测器模型
定子磁链观测如前所分析，采样改进的积分法模型，其在simulink中的构建，给出的是定子磁链模型及3—2坐标变换。
4 仿真结果
本仿真系统的参数完全参照实验装置的参数。选择功率为2.2kW的异步电动机，定子电阻Rs=2.5，转子电阻Rr=2.7，定子电感Ls=0.333H，转子电感Lr=0.333H，互感Lm=0.31942H，机械转动惯量J=0.0086 kg.m2，极对数Pn=2；负载转矩TL=20N.m；逆变器直流侧电压Ud=308V；额定转速ne=1200r/min磁链给定1Wb；转矩容差T =0.1N·m；转速PI调节器的参数是可以变化的，根据负载、调速等情况具体选择。
本文对以下两种情况进行了仿真：
（1）转矩负载为零，仿真过程中没有变化，仿真结果见图4.1所示；
（2）转矩负载初始值为零，0.15秒钟后，当电机转速达到给定值的时候，转矩发生跳变，变成了20N·M，仿真结果见图5-6所示。
首先要说明的是图4.1和图4.2中各个图形中的横坐标都是仿真所用的时间—单位为秒（s）
（A）—定子磁链 （B）—电机的定子电流
（C）—电机转速 （D）—电机转矩
图4.1 负载为零时的仿真结果
（A）—定子磁链 （B）—电机的定子电流
（C）—电机转速 （D）—电机转矩
图4.2 电机负载变化时的仿真结果
从仿真结果可以看出，系统的动态和稳态时的性能优良。对磁链响应来说，系统外部情况的变化对磁链的影响很小。
从图中系统空载和突加负载的仿真结果可以看到，转矩也基本上被限制在了容差范围以内，虽然没能严格地控制在滞环宽度内，但变化平稳。
总之，采用本文中所设计的控制策略进行的直接转矩仿真，所得到的系统的动静态特性都很优良，与理论分析的结果基本吻合。
5 结束语
本文通过对磁链观测中纯积分导致的直流漂移和积分初值问题以及定子电阻变化的影响进行优化，有效的抑制力直流漂移，提高了磁链观测的准确性。进一步抑制饿转矩波动和电流畸变，通过实验结果证明方案具有可实行性。