一種新型直接轉(zhuǎn)矩控制方法

一種新型直接轉(zhuǎn)矩控制方法

0dtc基本原理直接旋轉(zhuǎn)控制（tc）已經(jīng)廣泛使用。摒棄了理解分離的概念，直接控制旋轉(zhuǎn)和磁鏈。它具有旋轉(zhuǎn)響應(yīng)快、對旋轉(zhuǎn)參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。DTC的出現(xiàn)引起了電機(jī)控制理論的研究熱潮，國內(nèi)外對DTC技術(shù)及系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，提出了很多改進(jìn)方案，對DTC的理論作出了貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制采用六邊形磁鏈控制或六區(qū)間的圓形磁鏈控制。圓形磁鏈控制的結(jié)構(gòu)比較簡單，在參數(shù)準(zhǔn)確的情況下，控制效果好。但它對定子磁鏈的區(qū)間判斷要求嚴(yán)格[10,11,12,13,14,15,16,17]。當(dāng)由于各種原因，特別是定子電阻的非線性時(shí)變帶來的測量誤差造成判錯(cuò)區(qū)間時(shí)，電機(jī)的控制性能就會變壞。本文分析并指出了考慮定子電阻壓降影響時(shí)，傳統(tǒng)六區(qū)段方式電壓選擇表的缺陷，提出十二區(qū)段控制方法及其電壓選擇表和實(shí)現(xiàn)方法。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明十二區(qū)段方法電壓矢量切換引起的轉(zhuǎn)矩最大變化量將相應(yīng)的減小，可大大減小轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng),十二區(qū)段控制方法較六區(qū)段控制方法有更好的性能。1轉(zhuǎn)子電壓矢量的作用直接轉(zhuǎn)矩控制是基于靜止坐標(biāo)系來對磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制的，靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型為：定子電壓和轉(zhuǎn)子電壓方程式定子和轉(zhuǎn)子磁鏈方程電磁轉(zhuǎn)矩方程式式中：us、ur分別為定、轉(zhuǎn)子電壓矢量；is、ir分別為定、轉(zhuǎn)子電流矢量；ψs、ψr分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚籖s、Rr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻；Ls、Lr、Lm分別為定、轉(zhuǎn)子電感、互感；ω為轉(zhuǎn)子角速度；np為極對數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；D為微分算子。對轉(zhuǎn)矩公式(5)兩邊進(jìn)行求導(dǎo)并結(jié)合式(2)～(4)整理可得轉(zhuǎn)矩變化率公式式中Rm=LmLrRs+LrLsRr。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，對電流進(jìn)行限制的情況下，轉(zhuǎn)子磁鏈與定子磁鏈很接近，在負(fù)載不超過額定負(fù)載很多時(shí)，可以認(rèn)為ψs≈ψr，于是，式(6)可近似得式(7)表示在非零電壓矢量作用下而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變化。若電機(jī)逆時(shí)針方向運(yùn)行，則根據(jù)右手法則，當(dāng)定子電壓矢量超前于定子磁鏈?zhǔn)噶康南辔辉?80°范圍內(nèi)時(shí)，(ψs?us)>0，當(dāng)定子電壓矢量落后于定子磁鏈?zhǔn)噶康南辔辉?80°范圍時(shí)，(ψs?us)<0。但由式(7)可以看出，只有當(dāng)np(ψs?us)>npωψs2+npωψs2+RmTe時(shí)，轉(zhuǎn)矩才增加。也就是說，當(dāng)定子電壓矢量超前于一定的角度θ2后，才能使轉(zhuǎn)矩增加。角度θ2可用式(8)表示忽略定子電阻壓降時(shí)電壓矢量對定子磁鏈幅值的作用式中：Ts為采樣周期；θuψ為電壓矢量和磁鏈?zhǔn)噶康膴A角?？紤]定子電阻壓降時(shí)，根據(jù)定子電壓方程式(1)可得其中Es為定子反電勢矢量。則而定子電壓矢量和反電勢矢量的夾角θ1為綜上分析，可以得到考慮θ1角和θ2角的影響時(shí)定子電壓矢量對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的作用的結(jié)論如圖1和表1所示。表中θ1角和θ2角的值由式(12)和式(8)給出。2分段選擇的討論傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的電壓矢量表如表2所示。表中，F(xiàn)ψ表示是否需增加磁鏈，F(xiàn)ψ=1時(shí)表示需要增加磁鏈，F(xiàn)ψ=0時(shí)表示需要減小磁鏈。FT表示是否需增加轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)T=1時(shí)表示要增加轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)T=0表示要減小轉(zhuǎn)矩。Fψ和FT分別表示磁鏈和轉(zhuǎn)矩雙位調(diào)節(jié)器的輸出。區(qū)段一，二，…六表示定子磁鏈所在的區(qū)段。區(qū)段是以α軸為一區(qū)段的中心，沿逆時(shí)針方向順序等分的，如圖2所示。根據(jù)表2，當(dāng)定子磁鏈處于一區(qū)段時(shí)，選定子電壓矢量us2為增加磁鏈幅值和增加轉(zhuǎn)矩。實(shí)際上，當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶刻幱趫D2中一區(qū)段ψs1的位置時(shí)，如果圖中對應(yīng)的θ角小于圖1中的θ1，那么us2的作用是使磁鏈幅值減小。同樣，根據(jù)表2，當(dāng)定子磁鏈處于一區(qū)段時(shí)，選定子電壓矢量us6為增加磁鏈幅值和減小轉(zhuǎn)矩。實(shí)際上，當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶刻幱趫D2中一區(qū)段ψs2的位置時(shí)，如果圖中對應(yīng)的θ角小于圖1中的θ1角，那么us6的作用是使磁鏈幅值減小。其它區(qū)段的分析及結(jié)論相同。考慮定子電阻壓降影響時(shí)，傳統(tǒng)磁鏈閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩控制的電壓矢量選擇表在某些情況下是不正確的。對于6個(gè)工作電壓矢量、六區(qū)段的控制方法，若考慮定子電阻壓降的影響，很難在一個(gè)區(qū)間內(nèi)選用一個(gè)電壓矢量來同時(shí)實(shí)現(xiàn)定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩的增加或同時(shí)實(shí)現(xiàn)定子磁鏈幅值增加和轉(zhuǎn)矩減小。此外，一個(gè)區(qū)段內(nèi)，定子電壓對定子磁鏈作用是不平衡的，將導(dǎo)致定子磁鏈軌跡在一個(gè)區(qū)段內(nèi)非均勻變化，在區(qū)段線附近特別明顯。這將導(dǎo)致磁鏈的軌跡不再是一個(gè)圓形。反映到電流上，將會引起電流的畸變。這種畸變必然會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不良的影響。3直接旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)和12個(gè)區(qū)段性能分析3.1二區(qū)段電壓選擇表根據(jù)前面的分析，考慮定子電阻壓降影響時(shí)，傳統(tǒng)磁鏈閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩控制的電壓矢量選擇表在某些情況下是不正確的。另外，傳統(tǒng)磁鏈閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩控制磁鏈幅值在區(qū)段線附近嚴(yán)重不對稱，這將影響磁鏈、電流、轉(zhuǎn)矩的控制性能。本文提出了十二區(qū)段磁鏈閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩控制方法。即，將六區(qū)段方法區(qū)段線附近的部分作為另外6個(gè)新區(qū)段，分別是二區(qū)段、四區(qū)段、六區(qū)段、八區(qū)段、十區(qū)段、十二區(qū)段，如圖3所示。這樣，將圓分成了12個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段為30°。根據(jù)前面分析的結(jié)論及圖1可以分析出十二區(qū)段的電壓選擇表，如表3所示。在表3中，當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶刻幱趫D2中一區(qū)段ψs1的位置時(shí)，使磁鏈幅值增加和轉(zhuǎn)矩增加的定子電壓矢量選用us1；當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶刻幱趫D2中一一區(qū)段ψs2的位置時(shí)，使磁鏈幅值增加和轉(zhuǎn)矩減小的定子電壓矢量選用us1。即表3十二區(qū)段電壓矢量表中十二區(qū)段和二區(qū)段對應(yīng)的值。這樣就糾正了本文分析出的，傳統(tǒng)六區(qū)段方法當(dāng)定子處于圖2中ψs1和ψs2的位置并且θ角小于圖2中的θ1角時(shí)，選擇us2作為增加磁鏈幅值和增加轉(zhuǎn)矩的電壓矢量和選擇us6作為增加磁鏈幅值和減少轉(zhuǎn)矩的電壓矢量的錯(cuò)誤。3.2二區(qū)段的一區(qū)段內(nèi)磁鏈幅值的變化按照電壓矢量表3，在十二區(qū)段的一區(qū)段，逆時(shí)針方向運(yùn)行時(shí)，使磁鏈增加和減小的電壓矢量分別為us2和us3，根據(jù)式(9)對應(yīng)的磁鏈變化量為其中θuψ1和θuψ2分別為定子電壓矢量us2與定子磁鏈?zhǔn)噶康膴A角和定子電壓矢量us3與定子磁鏈?zhǔn)噶康膴A角。以區(qū)段中心線為中心，則磁鏈ψs在十二區(qū)段的一區(qū)段內(nèi)與中心線的夾角在-15°～15°之間變化。于是，可以畫出在十二區(qū)段的一區(qū)段內(nèi)，分別選擇電壓矢量us2和us3時(shí)磁鏈幅值的變化曲線如圖4所示。在十二區(qū)段的二區(qū)段，逆時(shí)針方向運(yùn)行時(shí)，使磁鏈增加和減小的電壓矢量分別為us2和us4，根據(jù)式(9)對應(yīng)的磁鏈變化量為其中：θuψ1和θuψ2分別為定子電壓矢量us2與定子磁鏈?zhǔn)噶康膴A角和定子電壓矢量us4與定子磁鏈?zhǔn)噶康膴A角。可畫出以區(qū)段中心線為中心，磁鏈ψs在十二區(qū)段的二區(qū)段內(nèi)與中心線的夾角在-15°～15°之間的變化曲線，該曲線與圖4中一區(qū)段的磁鏈幅值變化曲線相同。用同樣的方法可以分析得到另外十個(gè)區(qū)段中也有相同的磁鏈幅值變化曲線。與六區(qū)段方法相比，采用十二區(qū)段控制時(shí)，增加磁鏈和減小磁鏈的兩個(gè)矢量對磁鏈幅值的影響比較對稱，改善了六區(qū)段時(shí)產(chǎn)生較大的磁鏈幅值波動(dòng)，并可以減小電流畸變。3.3零電壓矢量至工作電壓矢量的切換傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是用6個(gè)位置固定的基本工作電壓矢量和零矢量來進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制的，電壓的選擇是通過電壓矢量表查表的方式來實(shí)現(xiàn)的，必然要涉及到電壓矢量之間的切換，而這種切換是非連續(xù)變化的，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩輸出的非連續(xù)變化，下面將分析六區(qū)段和十二區(qū)段控制方式時(shí)，不同電壓矢量切換時(shí)對電磁轉(zhuǎn)矩的影響。由式(7)可得第n周期的轉(zhuǎn)矩值為下面以一區(qū)段為例，分析不同電壓矢量切換的情況。根據(jù)電壓矢量表，在一區(qū)段，可能在us2,us3,us6,us5工作電壓之間切換，本文討論us6至us2,us6至us3,us2至us3之間的切換。還可能在零電壓矢量和工作電壓矢量之間切換，本文討論零電壓矢量至工作電壓矢量us2,us3,us6的切換。這些電壓矢量之間的反向切換引起的轉(zhuǎn)矩變化的絕對值與正向切換的絕對值是一致的。(1）非零電壓矢量之間的切換。在第n-1周期us2作用下的轉(zhuǎn)矩值為由于第n-2周期仍然是us2的作用，因此上式中Te(n-2)≈Te(n-1)。在第n周期切換至us3，第n周期us3作用下的轉(zhuǎn)矩值為式(15)減去式(14)可得us2切換至us3時(shí)的轉(zhuǎn)矩變化式中：θ3為us3與ψs之間的夾角；θ4為us2與ψs之間的夾角。如果以一區(qū)段的中心線作為空間矢量零度的參考，ψs的空間相位用θψs表示，則θ3=120°-θψs，θ4=60°-θψs，于是，式(16)可以寫成同樣方法可以得到us6至us2和us6至us3切換時(shí)的轉(zhuǎn)矩變化為(2）零電壓矢量至us6,us2,us3的切換。由式(7)可知在第n-1個(gè)周期零電壓矢量作用下的轉(zhuǎn)矩值為由此可求得零電壓矢量切換至us6時(shí)的轉(zhuǎn)矩變化式(21)，零電壓矢量切換至us2時(shí)的轉(zhuǎn)矩變化式(22)和零電壓矢量切換至us3的轉(zhuǎn)矩變化式(23)式(17)～(19)、(21)～(23)中，對于六區(qū)段控制，ψs的空間相位角θψs的范圍是(-30°≤θψs≤30°)；對于十二區(qū)段控制，ψs的空間相位角θψs的范圍是(-15°≤θψs≤15°)。不同電壓矢量切換時(shí)引起的轉(zhuǎn)矩變化的范圍，可用電壓矢量切換引起轉(zhuǎn)矩變化最大值的相對值表示，以表格的形式表示如表4所示。由表4可以看出，無論什么電壓矢量之間的切換，與六區(qū)段方法相比較，十二區(qū)段方法電壓矢量切換引起的轉(zhuǎn)矩最大變化量將相應(yīng)地減小，因此可大大減小轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。4系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線本文對六區(qū)段和十二區(qū)段控制進(jìn)行了磁鏈觀測準(zhǔn)確條件下和磁鏈觀測存在誤差條件下的控制性能仿真試驗(yàn)。仿真系統(tǒng)的電機(jī)參數(shù)為：PN=2kW,nN=1450r/min,TN=14N?m,Rs=2.33?，Ls=0.2994H,Rr=2.12?，Lr=0.3007H,Lm=0.2866H。系統(tǒng)給定磁鏈幅值ψg=0.8Wb、磁鏈調(diào)節(jié)器容差εψ=0.04Wb，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器容差εT=0.5N?m。圖5～7分別為相同條件下六區(qū)段和十二區(qū)段控制方式的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線、磁鏈軌跡和電流波形。從波形可以看出，十二區(qū)段控制方式有較快的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，較理想的磁鏈軌跡和電流波形。圖9和10分別為磁鏈觀測存在誤差時(shí)兩種控制方法的轉(zhuǎn)速與在磁鏈觀測存在誤差的條件下，從轉(zhuǎn)速響應(yīng)中可以看出，當(dāng)磁鏈觀測誤差達(dá)到一定程度時(shí)，六區(qū)段圓形磁鏈控制方法轉(zhuǎn)速將不能很好的跟蹤系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)速，而采用十二區(qū)段圓形磁鏈控制方法時(shí)系統(tǒng)仍然能夠很好的跟蹤轉(zhuǎn)速變化。從轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線中可以看出，在存在磁鏈誤差的條件下，采用六區(qū)段圓形磁鏈控制時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯的增大了；而十二區(qū)段圓形磁鏈的轉(zhuǎn)矩則響應(yīng)很好。相比較之下，在磁鏈產(chǎn)生觀測誤差