低開關(guān)頻率中壓傳動(dòng)的定子磁鏈軌跡跟蹤控制綜述_馬小亮

1、變頻器世界2009年12月低開關(guān)頻率中壓傳動(dòng)的 定子磁鏈軌跡跟蹤控制綜述Stator Flux Trajectory Tracking Control Synthesis of Low Switching Frequency Medium Voltage Drive天津電氣傳動(dòng)研究所馬小亮 Ma Xiaoliang 摘 要：為加大中壓變頻器岀力.要求隆低開關(guān)頻率，帶來PWM波形諧波大問題.解決上 述問題的辦法是采用同步且對(duì)稱的優(yōu)化PWM策略，它不能直接用干高性能系統(tǒng)，因?yàn)樗趧?dòng)態(tài) 會(huì)造成PWM紊亂，系統(tǒng)過流本文介紹了一種既能減小諧波又能快速響應(yīng)的定子5S璉軌跡跟蹤 控制方法它基于優(yōu)化PWM.又

2、有在動(dòng)態(tài)修正開關(guān)角的功能，為解決低開關(guān)頻率對(duì)解耦的影響. 出現(xiàn)了一種既不同于常規(guī)矢控制又不同于直接轉(zhuǎn)矩控制的基于磁鏈跟蹤之新閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng). 其性能優(yōu)于上述兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：低開關(guān)頻率優(yōu)化PWM 破鏈軌跡跟蹤控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)Abstract: Medium voltage inverter to step up to contribute, to lower switching frequency. caused a big problem of PWM waveform harmonics Solve the above problem is to optimize the use of

3、synchronous and symmetric PWM strategies* It can not be directly used for high-performance systems, because it will cause PWM disorders in a dynamic system over-current. This paper introduces a fast response can both reduce the harmonics of the stator flux trajectory tracking control method, it is b

4、ased on optimization of PWM, there are switching angle in the dynamic correction function. To address the low switching frequency ot the decoupling effect, tne emergence of a vector control is ditrerent from the conven- tional direct torque control also is different from the flux-based tracking of t

5、he new closed- loop speed control system, its performs nee is better than the above-mentioned two kinds of legacy systems.Key words: Low switching frequency Optimized PWM Flux trajectory tracking control Closed-loop speed control system中圖分類號(hào)TP273文舷標(biāo)識(shí)碼B文童編號(hào)1561-0330(2009)12-0045-07© 1994-2010 Ch

6、ina Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. httpr/Aki.ncl變頻器世界2009年12月© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. httpr/Aki.ncl變頻器世界2009年12月圖1輸出電流與開關(guān)頻率4關(guān)系（EUPEC6.5kV 600A IGBT）1引言基于高壓大功率器件（3.3kV、4.5kV 及6.5kV的IGBT和IG

7、CT）的中壓大功 率兩電平和三電平變頻器（PWM整 流和逆變器）傳動(dòng)已在金屈軋制、礦 井提升、船舶推進(jìn)、機(jī)車埜引等領(lǐng)域 得到廣泛應(yīng)用。隨器件電壓升高、功率加大.開關(guān)損耗隨之加大.為提高 裝蚩輸出功率要求降低PWM的開關(guān) 頻率。圖1示出EUPEC 65kV 600A 【GBT的最大輸出電流有效值與開關(guān)頻 率的關(guān)系曲線叫從圖1中看出在輸出 基波頻率/>5Hz時(shí)，開關(guān)頻率從 800Hz降至200Hz,輸出電流大約增© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. h

8、ttpr/Aki.ncl變頻器世界2009年12月© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. httpr/Aki.ncl變頻器世界2009年12月THE WORLD OF INVERTERS 45© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. httpr/Aki.ncl變頻器世界2009年12月

9、1MIVEY LEtTIIE© 1994-2010 China .Academic Journal Electronic Publishing I louse. All rights reserx'ed. ki.nei變頻器世界2009年12月1© 1994-2010 China .Academic Journal Electronic Publishing I louse. All rights reserx'ed. ki.nei變頻器世界2009年12月1a） PI調(diào)節(jié)b） PI調(diào)節(jié)+前饋解謂補(bǔ)償圖4叮階躍響應(yīng)加一倍。隨開關(guān)頻率f降低，每個(gè)輸岀基 波周期

10、（1£）中的PWM方波數(shù)（頻率比 FR=fJf）減少，以輸出基波頻率 »50Hz為例若/>200Hz則每 個(gè)輸岀基波中只有4個(gè)方波（三電平變 換器為8個(gè)方波），再采用常規(guī)的固定 周期（異步調(diào)制）三角載波法（SPWM）或 電壓空間矢法（SVPWM）產(chǎn)生PWM 信號(hào)，則輸出波形中諧波太大，無法 正當(dāng)工作。(a)處規(guī) SVPWM(b)CHM-PWM圖2三電平逆變器電流波形圖 (/,=33.5Hz, /,=200Hz)圖3定子電流矢在靜止坐標(biāo)系的軌跡圖2同步對(duì)稱優(yōu)化的PWM策略要想減小諧波，必須采用同步對(duì) 稱優(yōu)化的PWM策賂。同步指每個(gè)基 波周期中的PWM方波個(gè)數(shù)為整數(shù)。 對(duì)

11、稱指方波波形在基波的"4周期中左 右對(duì)稱（1/4對(duì)稱）及在基波的】周期中 正負(fù)半周對(duì)稱（1/2對(duì)稱）。常規(guī)的 SPWM或SVPWM周期固定，不隨基 波周期和相位變化而變化，它們是異 步且不對(duì)稱的PWM。常用的優(yōu)化 PWM策略有兩種：指定諧波消除法 （SHE-PWM）和電流諧波最小法 （CHM-PWM）.采用同步且對(duì)稱的調(diào) 制策賂后，在PWM輸出波形中將只 含5、7、11、13、17,等次特征諧 波。若在1/4輸出基波周期中有N次開 加關(guān)的過程，采用SHE-PWM法后將 消除N-I個(gè)特征諧波，洌如N=5則 第5、7、1 1、13次4個(gè)諧波將被消 除，第一個(gè)未消除的諧波是第17次， 但幅

12、值被放大，原因是被消除的諧波 的能量被轉(zhuǎn)移到未消除的諧波中。 CHM-PWM的目標(biāo)不泉消除某些諧 波，而是追求電流所有諧波的總畸變 率THD（%）最小。圖2示出在開關(guān)頻率 為200Hz時(shí)按常規(guī)SVPWM和按CHM- PWM得到的三電平逆變器電流波形 圖。從圖2中看出，在低開關(guān)頻率時(shí) 優(yōu)化PWM效果明顯。同步對(duì)稱的PWM策路通常只適 合V/F控制系統(tǒng)，因?yàn)樗喙ぷ饔诜€(wěn)態(tài)，且該系統(tǒng)不要求基波相位突變。 對(duì)于高性能系統(tǒng)，例如矢量控制系 統(tǒng)，它的基波頻率、幅值和相位隨時(shí) 都可能變化，要想實(shí)現(xiàn)同步且對(duì)稱很 困難。采用同步對(duì)稱優(yōu)化的PWM策 略時(shí)，一個(gè)基波周期中的開關(guān)角事先 離線算好并存在控制器中，工作時(shí)

13、調(diào) 用.一個(gè)基波周期更換一次調(diào)用的角 度。高性能系統(tǒng)要求途中隨時(shí)更換所 調(diào)用的角度值，將引起PWM波形紊 亂，導(dǎo)致過流故陣。圖3示出中途更 換調(diào)用角度時(shí)定子電流矢星在靜止坐 標(biāo)系的軌跡圖，從圖3中可以清楚的 看見更換調(diào)用角腹引起的過流。如何氐采用同步對(duì)稱優(yōu)化PWM 策賂，在低開關(guān)頻率下獲得較小諧 波，又能使系統(tǒng)具有快速響應(yīng)能力， 是高性能的中壓大功率變頻器研發(fā)的 一大難題。從文獻(xiàn)中看到兩種解決辦 法：一是定子電流軌跡跟蹤法；另 一是定子磁鏈軌跡跟蹤法"2譏后一 種方法是前一種方法的改進(jìn)，它的特 點(diǎn)是在暫態(tài)根據(jù)期望的定子磁鏈?zhǔn)噶?與實(shí)際的定子磁鏈?zhǔn)噶恐钚拚碇?的開關(guān)角，本文第4節(jié)將

14、介紹該方法。46 THE WORLD OF INVERTERS高性能調(diào)速系統(tǒng)大多采用矢量控 制，它把定子電流分解為礒化分蚩id 和轉(zhuǎn)矩分量經(jīng)兩個(gè)直流電流P1調(diào) 節(jié)器實(shí)現(xiàn)解耦。開關(guān)頻率降低導(dǎo)致 PWM響應(yīng)滯后，破壞動(dòng)態(tài)解耦效 果，使和出現(xiàn)交叉耦合。圖4示岀 匕階躍響應(yīng)波形圖，圖4a為只有PI調(diào) 節(jié)器情況.在-增加期間仃減小，存在 嚴(yán)垂的交叉耦合。產(chǎn)生耦合的原因有 二：一是PWM響應(yīng)滯后；二是電流 環(huán)控制對(duì)象中本身存在耦合。在調(diào)節(jié) 器設(shè)計(jì)時(shí)，常引入前饋解耦補(bǔ)償環(huán)節(jié) 來消除電流環(huán)控制對(duì)象中存在的耦 合，在低開關(guān)頻率下，這補(bǔ)償能消除 第二個(gè)原因，有一定效果，但由第一 個(gè)原因引起的飆合仍嚴(yán)重（見圖4b）

15、° 本文第5節(jié)介紹一種基于定子磁鏈軌 跡跟蹤控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，它是一種與直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)和常規(guī)矢呈 控制(VC)都不同的新調(diào)速系統(tǒng)，可以 解開由低開關(guān)頻率帶來的耦合。對(duì)干同步對(duì)稱優(yōu)化PWM,隨基 波頻率A降低，開關(guān)頻率(載波或采 樣頻率)也隨之降低，為了不使過 低，在降至一定值后就要增大一個(gè) 基波周期中采樣周期個(gè)數(shù)(啟值) 分段同步。隨調(diào)制深度M減小和FR加 大，同步優(yōu)化PWM和異步PWM的諧 波總畸變率間的差別越小，為簡化系 統(tǒng)，在MvO.3后，從同步優(yōu)化PWM改 為異步PWM。3同步對(duì)稱優(yōu)化PWM的應(yīng)用圖6誤差d衰滅圖個(gè)值，三相共12N個(gè)值.i=l,2,12N 是一個(gè)基波

16、周期中的開關(guān)角序號(hào))。 工作時(shí)，依據(jù)PWM的輸人電壓給定 矢量屮之幅值“來決定調(diào)用PMN )表圖7 EC框圖指定諧波消除法(SHE-PWM)的目圖5優(yōu)化PWM的控制框圖標(biāo)是消除N-1個(gè)特征諧波，算法罡解N 維三角函數(shù)聯(lián)立方程(N是1/4基波周期 中的開加關(guān)次數(shù))。電流諧波最小法 (CHM-PWM)的目標(biāo)是電流諧波總畸 變率最小，算法是遺傳算法。這些算 法都很復(fù)雜，需要反亙迭代，無法在 線完成，所以在應(yīng)用同步對(duì)稱優(yōu)化 PWM時(shí)，一個(gè)基波周期牛的開關(guān)角 都事先離線算好，存在控制器中，工 作時(shí)調(diào)用。由于同步且對(duì)稱.只需要 算出第1象限1/4基波周期的開關(guān)角值(0C < x/2 J=1,2.*是

17、 1/4基 波周期中的開關(guān)角序號(hào))，其它3個(gè)象 限的a值可以根據(jù)對(duì)稱要求從第1象限 值算岀。在第2象限，在第3、4象限，n W a m2 x ,° >moI2(2 n-a),式中“是優(yōu)化的PWM輸出電壓，下 標(biāo)1,-4,表示象限。事先計(jì)算的結(jié)果存于控制模式P (M.N)表中，在P(M,N)表中對(duì)應(yīng)于每 個(gè)不同的調(diào)制深度M值(對(duì)應(yīng)于PWM 輸出電壓基波幅值“加)和不同的開關(guān) 次數(shù)N值，就有一組開關(guān)角值q(每相1/ 4基波周期有N個(gè)值，一個(gè)基波周期4/V中那組值，通過比較矢塑屮之相位 角)與)表中所調(diào)用角度值 ar來決定什么時(shí)間發(fā)開或關(guān)指令。優(yōu) 化PWM的控制框圖示于圖5川，圖5中

18、 拆是基波頻率信號(hào)，用以把4角變換成 時(shí)間厶.I,巳他=a( /2斫(巴是定子角 頻率).圖5控制框圖只適用于V/F調(diào)速系 統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況。對(duì)于高性能系 統(tǒng)，在任意時(shí)刻更換P(M,N)表中的數(shù) 抿會(huì)給系統(tǒng)帶來沖擊。假設(shè)系統(tǒng)原來 工作于穩(wěn)態(tài)工況1 ,調(diào)用p(m,n )表中 尸”組角度值，對(duì)應(yīng)的PWM輸出電壓 矢星為小，定子磁鏈?zhǔn)窫沿穩(wěn)態(tài)優(yōu) 化軌跡I運(yùn)動(dòng)，以”=f %"'力 + 以"4)( 1 ) 式中：V ,；>(/)是工況1的定子磁 鏈?zhǔn)噶?，是它的初始值?quot;是 p“開始調(diào)用的時(shí)刻，下標(biāo)SS表示穩(wěn)態(tài) 值。由于優(yōu)化PWM在M>0.3時(shí)才使 用，大

19、容量電動(dòng)機(jī)定子繞組電阻壓降 對(duì)磁鏈的影響可以忽略。若在心時(shí)要求改調(diào)用p(m、n )表 中P組角度值，對(duì)應(yīng)的PWM輪出電 壓矢量為uf)：定子磁鏈?zhǔn)噶繎?%也+人(G (2)式中叮心)是叱”在r肘的 值，它也是計(jì)算VJ2,(O軌跡的初始 值。按p"組角度值工作的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化磁 鏈軌跡2是幾=2,dt +必(4)(3)式中(；)是優(yōu)化磁鏈軌跡2在f =4時(shí)的值。由于wJUWf©), 所以V, ,2,(0 *屮“,在/ > -時(shí)實(shí)際 的定子磁鏈軌跡偏離優(yōu)化軌跡，產(chǎn)生 動(dòng)態(tài)調(diào)制誤壟d,給系統(tǒng)帶來沖擊。d= VJ2>(/)- V；2'(z)(4)動(dòng)態(tài)調(diào)制誤差d會(huì)按電機(jī)

20、暫態(tài)時(shí) 間常數(shù)衰減(圖6),但在動(dòng)態(tài)由于不斷 的更改PMN)調(diào)用值，在上一個(gè)動(dòng)態(tài) 調(diào)制誤差還沒衰減完時(shí)又產(chǎn)生新誤 差.誤差積累將導(dǎo)致系統(tǒng)故障。© 1994-2010 China .Academic Journal Electronic Publishing I louse. All rights reserx'ed. ki.nei變頻器世界2009年12月1© 1994-2010 China .Academic Journal Electronic Publishing I louse. All rights reserx'ed. ki.nei變頻器世界20

21、09年12月1THE WORLD OF INVERTERS 47© 1994-2010 China .Academic Journal Electronic Publishing I louse. All rights reserx'ed. ki.neiSURVEY LECTURE1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All ri連Us reserved. hl(p:/Akiiicl1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing

22、House. All ri連Us reserved. hl(p:/Akiiicl圖8異步電動(dòng)機(jī)電流模型4定子磁鏈軌跡跟蹤控制(FTTC)定子昭鏈軌跡跟蹤控制(FTTC)用 以解決在高性能控制系統(tǒng)中由于采用 優(yōu)化PWM策路而岀現(xiàn)的問題，使得 在低開關(guān)頻率時(shí)諧波又小，系統(tǒng)響應(yīng) 又快。它的特點(diǎn)是在暫態(tài)根據(jù)期望的 定子磁鏈?zhǔn)蛤縒“與實(shí)際的定子磁鏈 矢愷認(rèn)(觀測值)之差d修正P(M、N 表中的開關(guān)角，避免沖擊。FTTC框圖示于圖7,圖7中上半部 是基于查表的優(yōu)化PWM框圖(同圖5), 下半部是開關(guān)角修正部分框圖。根據(jù) PMN)表中貯存的開關(guān)角信號(hào)算岀期 望的PWM輸出電壓矢再經(jīng)積 分得到期望的定子磁鏈?zhǔn)?/p>

23、量J,。實(shí) 測的定工電流經(jīng)電機(jī)模型得實(shí)際定子 醯鏈?zhǔn)噶?觀測值)軌。兩個(gè)磁鏈?zhǔn)钢?之差d(t)(矢星)通過軌跡控制器 (trajectory controller)產(chǎn)生三相角度修 正信號(hào)A P.開關(guān)角度的變化帶來 PWM脈沖寬度變化，導(dǎo)致變換器輸 出電壓波形伏秒面積變化，電壓伏- 秒面積對(duì)應(yīng)于磁鏈，所以可以通過修 正開關(guān)角來修正定子磁鏈軌跡，使其 實(shí)際矢棗跟隨期望矢量運(yùn)動(dòng)，從而避 免沖擊。有三個(gè)問題待進(jìn)一步說明：如何 計(jì)赫屮$；如何得到叭；如何計(jì)算4P 及修正開關(guān)角。(I :' 計(jì)算J、矢墾是優(yōu)化的穩(wěn)態(tài)定子磁鏈 矢重，選擇它作為跟蹤目標(biāo)的原因是：定子磁鏈?zhǔn)茈姍C(jī)參數(shù)影響最小， 不受磁路飽

24、和帶來的電感值變化影 響；定子磁鏈與負(fù)載電流無關(guān)(在 0.3時(shí)，可忽略定子電阻壓降影響)。通過積分優(yōu)化的穩(wěn)態(tài)PWM電 壓"“矢量得到，假設(shè)在/ = /,時(shí)刻，一 組新的開關(guān)角被調(diào)用，共有12N個(gè)角 度值,它們的序號(hào)是/=L-J2No性叮皿+ %(_)(5)式中屮“億)是積分初始值.'(6)wZUs)式中：嚴(yán)戀是領(lǐng)先/戲第j個(gè)開關(guān) 角a,對(duì)應(yīng)時(shí)刻，叮/準(zhǔn)/肘刻的鳴，憶 9丿是角對(duì)應(yīng)的它也事先離 線計(jì)算并和勺一起存在表中， 3,是同步角速度相對(duì)值。W“(«. ) = uu(a)da-ifn(a-Q) a = 0丿=口： “訂 a )da )da 由于時(shí)間差/<&q

25、uot;很短，按式5和6計(jì) 算J,簡化了數(shù)字計(jì)算，也避免長時(shí) 間積分帶來的累積誤差。(2) V.計(jì)算軋來自按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電 動(dòng)機(jī)屯流模型，示于圖8。測得的電流矢量(上標(biāo)(S)表示 位于靜止坐標(biāo)系)經(jīng)矢量回轉(zhuǎn)變成if (上標(biāo)(F)表示位于按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系)，它在d和q軸的分星 為Oy轉(zhuǎn)子磁鏈叮喚人=0。式中：是互感，是轉(zhuǎn)子時(shí)間常 數(shù)。轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?觀測值)=% 定子磁鏈?zhǔn)副P(觀測值)才"，鏟+減詳 (9) 式中：k=ljlr是轉(zhuǎn)子耦合系數(shù)， s/、是定子漏感(s =!</(«)是全漏感系 數(shù))。v,F,再經(jīng)矢量回轉(zhuǎn)變回靜止坐標(biāo) 系矢衆(zhòng)認(rèn)將它送至FT

26、TC框圖 (圖7),與屮“比較，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)訓(xùn)I制誤 差d。矢量回轉(zhuǎn)所需之轉(zhuǎn)子磁鏈位置角 (觀測值)$來自同步旋轉(zhuǎn)角速度(觀測 值)0的積分，S = J a)dt =式中：G是轉(zhuǎn)子角速度信號(hào)，G, 是轉(zhuǎn)差角速度(觀測值)。(3) Zip計(jì)算及開關(guān)角修正動(dòng)態(tài)調(diào)制誤差d用以修正來自P (MW)表中角度值.使d趨于最小， d(i)經(jīng)軌跡控制器產(chǎn)生三相角度修正 信號(hào)/?(圖9)。定子磁鏈的動(dòng)態(tài)謀差是FWM波 形的伏-面積誤差，可以通是改變 PWM開關(guān)時(shí)刻來修正。在系統(tǒng)中d(t) 的采樣和修正周期為7>O.5ms(小于 PWM開關(guān)周期),在這周期中若某相存 在PWM跳變，便修正它的跳變時(shí)刻， 若無封匕

27、變便不修正。修正的原理是：對(duì)于正跳變(從詡丿2到0或從0到 十標(biāo)記為s=+1),若跳變時(shí)刻推 后D/0,則伏.秒面積減小；若跳變 時(shí)刻提前D/<0,則伏秒面積增加；對(duì)于負(fù)跳變(從+“,/2到0或從0 到巳/2 標(biāo)記為s=I),若跳變時(shí)刻推 后Dr>0,則伏秒面積增加；若跳變 時(shí)刻提前D/<0,則伏秒面積減??；若無跳變，標(biāo)記為s=0°在一個(gè)采樣周期7；中，某相可能 有幾次跳變，這跳變次數(shù)定義為n。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All ri連Us reserved. hl(p:

28、/Akiiicl1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All ri連Us reserved. hl(p:/Akiiicl48 THE WORLD OF INVERTERS1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All ri連Us reserved. hl(p:/Akiiicl變頻器世界2009年12月,© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing H

29、ouse. All rights reserved. hnpi/Avwxnki.nei變頻器世界2009年12月,以a相為例，若在7；中存在n次跳 變，其口第i次跳變的時(shí)間修正量D 為，則在這人中啪動(dòng)態(tài)調(diào)制誤差的修 正量為 M "M二晉孚皿（11）式中：是相對(duì)值，幻2“", “川是逆變器按6拍運(yùn)行時(shí)的基波電壓 幅值。令（切表示在第斤周期之初采樣 到的誤差值，Dd“伙-1）表示在前一周 期（第匕1周期）計(jì)算但還沒執(zhí)行的誤差 修正值，則在第斤周期應(yīng)執(zhí)行的修正 量為A <a>=-|<（A）-A-l）（12）上式中括號(hào)前的負(fù)號(hào)表示修正量 應(yīng)與誤差境符號(hào)相反。由式（

30、II）和式（12）,得到a相 第i次跳變的時(shí)間修正量=丄d 伙）伙b） d修正軌跡圖9開關(guān)角修正.（13） 同理得到b相和c相第i次跳變的時(shí)間修正量匕=-叫%Atei = d（k）-Ad（k -l）*a2（式中：l、a、a2是三相單位矢量（見圖9b）, - " 是矢量點(diǎn)積運(yùn)算符號(hào)。圖）示出三相開關(guān)角修正圖，圖中虛線為未 修正波形，實(shí)線為修正后波形，陰影區(qū)域?yàn)樾拚?伏-秒面積。圖9b）罡與圖9a）對(duì)應(yīng)的誤差矢fid（t） 的修正軌跡圖。圖9c）是有修正的d（t）波形圖（與圖6工況相同），經(jīng)2個(gè)采樣周期（1ms）它被修正到零， 不到圖6衰減時(shí)間的1/20。圖9d）是有修正的定子電 流矢

31、坍在靜止坐標(biāo)系的軌跡圖（與圖3工況相同），與 圖3相比電流沖擊減到很小。受人長度、最窄PWM脈沖及采樣周期長度等限 制，按式（】3）和（14）算出的時(shí)間修正星有時(shí)不 能完全執(zhí)行，若菓相在人中沒有跳變，也無法修正 該相誤差，所有剩余誤差都要留到后序采樣周期 執(zhí)行。5基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)5.1"自控電機(jī)”d）有修正的定子電流矢軌跡圖 d軌跡和修正效果圖在矢量控制系統(tǒng)中PWM輸入電壓矢量u*來自電流調(diào)節(jié)器輸 出，含有噪聲，把它送至優(yōu)化PWM,將導(dǎo)致P（MM錯(cuò)誤切換和修 正，系統(tǒng)紊亂。解決的辦法是借助觀測器建立一個(gè)能輸出干凈u* 的“自控電機(jī)”。電機(jī)觀測器輸入滬不是來自電流調(diào)節(jié)器輸出，

32、 而是來自優(yōu)化PWM輸入（它與PWM輸岀電壓基波成比例，無PWM 諧波），觀測器輸出 個(gè)干凈的u*'信號(hào)，又送回PWM輸入，這是 一個(gè)自我封閉的穩(wěn)態(tài)工作系統(tǒng)，所有輸出都是干凈的基波值，僅 在接受輸入擾動(dòng)信號(hào)后才改變工作狀態(tài)（見圖11）。優(yōu)化要 之干凈的頻率信號(hào)叫.“也來自“自控電機(jī)”。常用的異步電動(dòng)機(jī)的觀測器有三種山：一是靜止坐標(biāo)觀測器， 受電機(jī)參數(shù)影響較大；二是全階觀測器，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢；三是混駅S)f 圖10異步電動(dòng)機(jī)混合觀測器THE WORLD OF INVERTERS 49© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Pub

33、lishing House. All rights reserved. hnpi/Avwxnki.nei變頻器世界2009年12月,HRVEY LECTIIIE1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. httpr/Avvvki.ncl變頻器世界2009年12月,1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. httpr/Avvvki.ncl變頻器世界200

34、9年12月,圖門 基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)合觀測器，它的定子模型是降階觀測 器，轉(zhuǎn)子模型是轉(zhuǎn)子磁鏈定向模型. 性能較好，示于圖10?；旌嫌^測器主要由定子模型和轉(zhuǎn) 子模型兩部分組成。轉(zhuǎn)子模型罡按轉(zhuǎn) 子磁鏈定向的異步電動(dòng)機(jī)電流模型， 即圖肌定子模型是降階觀測器。(式中：&初杲定子磁鏈基波矢 塑，它是降階觀測器輸岀；匕匕來自轉(zhuǎn)子模型；V,=Vr+sZ,l4(V,還被送去與 V “比較，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)調(diào)制誤差矢雖d(t), 見圖7);t '嚴(yán)屮,是定子暫態(tài)時(shí)間常數(shù)， 叫是定子漏感，人是定子電阻；G)($,廠認(rèn))是參數(shù)偏差校正信 號(hào)，G(w)是校正增益?；旌嫌^測器的輸岀u-由軌|和 &

35、;叭算出，它們都是干凈信號(hào)(由于轉(zhuǎn) 子時(shí)間擔(dān)數(shù)J大，所以杲干凈信 號(hào))“*'=網(wǎng)，必+人色：也(16)CIS式*3“是穩(wěn)態(tài)定子角頻率，來 自磁鏈火認(rèn)位蛋角的微分，它也是優(yōu) 化PWM所需之頻率信號(hào)的來源。5.2基tFTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)引入"自控電機(jī)”后系統(tǒng)不能謹(jǐn) 速.必須通過外環(huán)加入擾 動(dòng)矢量 0,才能改變?cè)?來的穩(wěn)定工作狀態(tài)。在文 獻(xiàn)23中介紹了一種基于 FTTC的閉環(huán)詬速系統(tǒng)， 示于圖】。外環(huán)由磁鏈調(diào) 節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(兩個(gè)PI 調(diào)節(jié)器)組成，沒有電流 調(diào)節(jié)器。磁鏈調(diào)節(jié)誥的反饋信 號(hào)是來自混合觀測器的轉(zhuǎn) 子磁鏈實(shí)際值化/由于許 0,所以略=匕)，輸岀是定子磁 鏈d軸分最給

36、定5 '，由于先嘰=5(17)轉(zhuǎn)子磁鏈憶只與忍/有關(guān)，不與d 軸耦合，可以通過控制紜來控制鶴。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)是來自編 碼器的轉(zhuǎn)速實(shí)際值輸出是定子磁 鏈d軸分蚩給定叮、由于T廠卷Wy(18)在匕,恒定條件下，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 只與化“有關(guān)，不與d軸耦合，可以通 過控制匕g來控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩 和電流的限制由該調(diào)節(jié)器限幅實(shí)現(xiàn)?；痙和化;合成得定子磁鏈給定 矢量化°,與來自混合觀測器的定子 磁鏈實(shí)際基波矢SVu比較后得“自 控電機(jī)”的擾動(dòng)矢量信號(hào)化。由于 FTTC的跟蹤性能好，能很快消除磁 鏈誤差化，使從而消除 交叉耦合，實(shí)現(xiàn)磁鏈與轉(zhuǎn)矩的分別控 制。例如在需要調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)速給定6/

37、 的變化,引起紜變化，妙嚴(yán)0, "自控電機(jī)”受攏動(dòng)而改變?cè)蟹€(wěn)定工 作狀態(tài)，EC起作用來消除匕，使 實(shí)際的妙等于新給定值，導(dǎo)致電機(jī) 轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化，奔向新工作點(diǎn)。為消除電機(jī)參數(shù)變化河系統(tǒng)影 響，在系統(tǒng)中引入2個(gè)參數(shù)補(bǔ)償P1謁 節(jié)器，它們的輸入是匕，輸岀與 叮'信號(hào)(“自控電機(jī)”輸出)疊加， 修改PWM輸入矢童屮。由于電機(jī)參 數(shù)變化緩慢.這2個(gè)PI調(diào)節(jié)的比例系 數(shù)P很小，時(shí)間常數(shù)T大。6實(shí)驗(yàn)結(jié)果基于定子FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 已在30kW樣機(jī)和2MW系列工業(yè)產(chǎn)品 中得到驗(yàn)證。圖12是磁鏈跟蹤性能 圖，磁鏈偏差經(jīng)3個(gè)采樣周期(1.5ms) 被糾正到零，與圖6所示磁鏈偏差自 然袞減

38、相比，時(shí)間縮短到1/30。圖13 罡突加匚的響應(yīng)圖，從圖13中看出， 雖然開關(guān)頻率只有200Hz,但基波轉(zhuǎn)| 2V$-r ；-0 -F 50THE WORLD OF INVERTERS0246810 to圖12晞鏈跟蹤性能圖14突加轉(zhuǎn)速給定響應(yīng)圖15從空載到額定負(fù)戟的電潦軌跡圖2002丨血血丨血丨血丨000100?00)0010050000700t0<M0F«O1®16直接轉(zhuǎn)矩控制三電平逆變器電壓.電流波形(開關(guān)頻率約為350Hz)矩電流g經(jīng)3個(gè)采樣周期(I-5ms)達(dá)到 新穩(wěn)定值，期間心只有微小變化，說 明解耦性能良好。常規(guī)矢就控制的轉(zhuǎn) 矩響應(yīng)時(shí)間為510ms,直接

39、轉(zhuǎn)矩控 制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間為I5ms。圖14是 突加轉(zhuǎn)速給定響應(yīng)圖，經(jīng)0.5s轉(zhuǎn)速從 Or/min加速到1500r/min,超調(diào)很小， 加速期間轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩電流的限制性能 良好。圖15是電機(jī)從空載到額定負(fù)載 的電流軌跡圖，響應(yīng)快，超調(diào)小。從上述結(jié)果看出基于FTTC的閉 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)性能優(yōu)于常規(guī)矢量控制系 統(tǒng)。常規(guī)矢量控制系統(tǒng)通過用電流調(diào) 節(jié)器改變PWM占空比來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩調(diào) 節(jié)，響應(yīng)時(shí)間需幾個(gè)開關(guān)周期，且在 低開關(guān)頻率下動(dòng)態(tài)解耦效果不好。基 TFTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)通過改變 PWM波形前后沿角度來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)， 響應(yīng)過程有可能在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)完 成，且動(dòng)態(tài)解耦效果好。基于FTTC 的閉環(huán)詢速系統(tǒng)性能也優(yōu)于直

40、接轉(zhuǎn)矩 控制系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的磁鏈(上接第73頁)(FWD),變頻器封鎖PWM后綸岀停 機(jī)狀態(tài)信號(hào)(Y2);(7)停機(jī)狀態(tài)(Y2)有效后，經(jīng) 時(shí)間延時(shí)，輸岀電流為0 變頻器輸 出釋放接觸器命令(CR),至此一次運(yùn) 行過程結(jié)束。5 結(jié)束語實(shí)踐證明，在EV3100電梯專用變 頻器的基礎(chǔ)上開發(fā)的采用距離控制技和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)靠滯 環(huán)控制實(shí)現(xiàn)，在 低開關(guān)頻率下電 流波形諧波大， 影響裝置岀力。 基于EC的閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)采用優(yōu) 化PWM策睫，諧 波小，岀力大。圖16壘開關(guān)頻率約為350Hz的直接轉(zhuǎn) 矩控制三電平逆變器電壓' 電流波 形，比圖3b電流波形諧波大很多。7 結(jié)束語(丨)為降低高壓大功率

41、器件的 開關(guān)損耗，增加變頻器出力，要求降 低開關(guān)頻率，帶來PWM波形諧波大 問題。解決諧波問題的辦法是采用同 步且對(duì)稱的優(yōu)化PWM策略。(2) 優(yōu)化PWM策略不能直接用 于高性能系統(tǒng)，因?yàn)樗趧?dòng)態(tài)會(huì)造成 PWM紊亂，系統(tǒng)過流。EC技術(shù)基 于優(yōu)化P WM ,既能減小諧波又能在 動(dòng)態(tài)修正開關(guān)角，解決如何把優(yōu)化 PWM用于快速系統(tǒng)問題。(3) 基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 是一個(gè)既不同于常規(guī)矢量控制.又不 同于直接轉(zhuǎn)矩控制的離性能調(diào)速系 統(tǒng)，比矢量控制響應(yīng)快、解耦效果 好，比直接轉(zhuǎn)矩控制諧波小、輸岀能 力大。術(shù)的控制系統(tǒng)已被某電梯公司批章采 用，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，對(duì)中小規(guī) 模的電梯制造廠開發(fā)通用性的電梯控 制產(chǎn)品也有借鑒價(jià)值。作者簡介顧德仁男工程師.現(xiàn)就職于 蘇州遠(yuǎn)志