一種新型直接轉矩控制方法

一種新型直接轉矩控制方法

0dtc基本原理直接旋轉控制（tc）已經(jīng)廣泛使用。摒棄了理解分離的概念，直接控制旋轉和磁鏈。它具有旋轉響應快、對旋轉參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點。DTC的出現(xiàn)引起了電機控制理論的研究熱潮，國內(nèi)外對DTC技術及系統(tǒng)進行了深入的研究，提出了很多改進方案，對DTC的理論作出了貢獻。傳統(tǒng)的直接轉矩控制采用六邊形磁鏈控制或六區(qū)間的圓形磁鏈控制。圓形磁鏈控制的結構比較簡單，在參數(shù)準確的情況下，控制效果好。但它對定子磁鏈的區(qū)間判斷要求嚴格[10,11,12,13,14,15,16,17]。當由于各種原因，特別是定子電阻的非線性時變帶來的測量誤差造成判錯區(qū)間時，電機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，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現(xiàn)方法。理論分析和仿真實驗結果表明十二區(qū)段方法電壓矢量切換引起的轉矩最大變化量將相應的減小，可大大減小轉矩的脈動,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轉子電壓矢量的作用直接轉矩控制是基于靜止坐標系來對磁鏈和轉矩進行控制的，靜止坐標系下數(shù)學模型為：定子電壓和轉子電壓方程式定子和轉子磁鏈方程電磁轉矩方程式式中：us、ur分別為定、轉子電壓矢量；is、ir分別為定、轉子電流矢量；ψs、ψr分別為定、轉子磁鏈矢量；Rs、Rr分別為定、轉子電阻；Ls、Lr、Lm分別為定、轉子電感、互感；ω為轉子角速度；np為極對數(shù)；Te為電磁轉矩；D為微分算子。對轉矩公式(5)兩邊進行求導并結合式(2)～(4)整理可得轉矩變化率公式式中Rm=LmLrRs+LrLsRr。在直接轉矩控制中，對電流進行限制的情況下，轉子磁鏈與定子磁鏈很接近，在負載不超過額定負載很多時，可以認為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)生的轉矩變化。若電機逆時針方向運行，則根據(jù)右手法則，當定子電壓矢量超前于定子磁鏈矢量的相位在180°范圍內(nèi)時，(ψs?us)>0，當定子電壓矢量落后于定子磁鏈矢量的相位在180°范圍時，(ψs?us)<0。但由式(7)可以看出，只有當np(ψs?us)>npωψs2+npωψs2+RmTe時，轉矩才增加。也就是說，當定子電壓矢量超前于一定的角度θ2后，才能使轉矩增加。角度θ2可用式(8)表示忽略定子電阻壓降時電壓矢量對定子磁鏈幅值的作用式中：Ts為采樣周期；θuψ為電壓矢量和磁鏈矢量的夾角?？紤]定子電阻壓降時，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角的影響時定子電壓矢量對定子磁鏈和電磁轉矩的作用的結論如圖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)直接轉矩控制逆時針旋轉時的電壓矢量表如表2所示。表中，F(xiàn)ψ表示是否需增加磁鏈，F(xiàn)ψ=1時表示需要增加磁鏈，F(xiàn)ψ=0時表示需要減小磁鏈。FT表示是否需增加轉矩，F(xiàn)T=1時表示要增加轉矩，F(xiàn)T=0表示要減小轉矩。Fψ和FT分別表示磁鏈和轉矩雙位調(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，沿逆時針方向順序等分的，如圖2所示。根據(jù)表2，當定子磁鏈處于一區(qū)段時，選定子電壓矢量us2為增加磁鏈幅值和增加轉矩。實際上，當定子磁鏈矢量處于圖2中一區(qū)段ψs1的位置時，如果圖中對應的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，當定子磁鏈處于一區(qū)段時，選定子電壓矢量us6為增加磁鏈幅值和減小轉矩。實際上，當定子磁鏈矢量處于圖2中一區(qū)段ψs2的位置時，如果圖中對應的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)段的分析及結論相同。考慮定子電阻壓降影響時，傳統(tǒng)磁鏈閉環(huán)直接轉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，很難在一個區(qū)間內(nèi)選用一個電壓矢量來同時實現(xiàn)定子磁鏈幅值和轉矩的增加或同時實現(xiàn)定子磁鏈幅值增加和轉矩減小。此外，一個區(qū)段內(nèi)，定子電壓對定子磁鏈作用是不平衡的，將導致定子磁鏈軌跡在一個區(qū)段內(nèi)非均勻變化，在區(qū)段線附近特別明顯。這將導致磁鏈的軌跡不再是一個圓形。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直接旋轉試驗和12個區(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，傳統(tǒng)磁鏈閉環(huán)直接轉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)直接轉矩控制磁鏈幅值在區(qū)段線附近嚴重不對稱，這將影響磁鏈、電流、轉矩的控制性能。本文提出了十二區(qū)段磁鏈閉環(huán)直接轉矩控制方法。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個區(qū)段，每個區(qū)段為30°。根據(jù)前面分析的結論及圖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，當定子磁鏈矢量處于圖2中一區(qū)段ψs1的位置時，使磁鏈幅值增加和轉矩增加的定子電壓矢量選用us1；當定子磁鏈矢量處于圖2中一一區(qū)段ψs2的位置時，使磁鏈幅值增加和轉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)段對應的值。這樣就糾正了本文分析出的，傳統(tǒng)六區(qū)段方法當定子處于圖2中ψs1和ψs2的位置并且θ角小于圖2中的θ1角時，選擇us2作為增加磁鏈幅值和增加轉矩的電壓矢量和選擇us6作為增加磁鏈幅值和減少轉矩的電壓矢量的錯誤。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，逆時針方向運行時，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與定子磁鏈矢量的夾角和定子電壓矢量us3與定子磁鏈矢量的夾角。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，逆時針方向運行時，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與定子磁鏈矢量的夾角和定子電壓矢量us4與定子磁鏈矢量的夾角。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，增加磁鏈和減小磁鏈的兩個矢量對磁鏈幅值的影響比較對稱，改善了六區(qū)段時產(chǎn)生較大的磁鏈幅值波動，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)的直接轉矩控制系統(tǒng)是用6個位置固定的基本工作電壓矢量和零矢量來進行轉矩控制的，電壓的選擇是通過電壓矢量表查表的方式來實現(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，將導致轉矩輸出的非連續(xù)變化，下面將分析六區(qū)段和十二區(qū)段控制方式時，不同電壓矢量切換時對電磁轉矩的影響。由式(7)可得第n周期的轉矩值為下面以一區(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作用下的轉矩值為式(15)減去式(14)可得us2切換至us3時的轉矩變化式中：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切換時的轉矩變化為(2）零電壓矢量至us6,us2,us3的切換。由式(7)可知在第n-1個周期零電壓矢量作用下的轉矩值為由此可求得零電壓矢量切換至us6時的轉矩變化式(21)，零電壓矢量切換至us2時的轉矩變化式(22)和零電壓矢量切換至us3的轉矩變化式(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引起的轉矩變化的范圍，可用電壓矢量切換引起轉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矩最大變化量將相應地減小，因此可大大減小轉矩的脈動。4系統(tǒng)轉速響應曲線本文對六區(qū)段和十二區(qū)段控制進行了磁鏈觀測準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。仿真系統(tǒng)的電機參數(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)段控制方式的轉速響應曲線、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速響應，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兩種控制方法的轉速與在磁鏈觀測存在誤差的條件下，從轉速響應中可以看出，當磁鏈觀測誤差達到一定程度時，六區(qū)段圓形磁鏈控制方法轉速將不能很好的跟蹤系統(tǒng)的給定轉速，而采用十二區(qū)段圓形磁鏈控制方法時系統(tǒng)仍然能夠很好的跟蹤轉速變化。從轉矩響應曲線中可以看出，在存在磁鏈誤差的條件下，采用六區(qū)段圓形磁鏈控制時轉矩脈動明顯的增大了；而十二區(qū)段圓形磁鏈的轉矩則響應很好。相比較之下，在磁鏈產(chǎn)生觀測誤差