磁链区间细分控制在DTC系统中的应用

黄祯祥，郭延文，廖剑霞，邓怀雄，周  书

(湘潭大学，湖南湘潭411100)

    摘要：针对直接转矩控制系统中电压矢量对定子磁链幅值和磁通角的影响，指出了传统开关控制表所存在的缺陷。在传统直接转矩控制的基础上，分析了磁链区间细分控制的控制策略及其实现方法，该方法有效地避免了定子磁链幅值和磁通角变化相矛盾时对系统转速与转矩的不利影响。仿真结果表明该控制方案是可行的，能使系统起动响应速度加快，并具有良好的转速与转矩控制性能，提高了系统的稳定性与对定子磁链相位角的鲁棒性。

    关键词：直接转矩控制；磁链区间细分控制：电压矢量

中图分类号：TM34  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2008)07-0050-03

 

 

    O引  言

 

    传统直接转矩控制系统在实际运行中，其基本控制方法通常是保持定子磁链幅值为额定值，通过电压矢量来控制定子磁链的平均旋转速度以改变磁通角的大小，达到控制电磁转矩的调节[1,2]。这种控制方法的前提是电压矢量的变化对定子磁链幅值不产生改变，或者即使产生改变也与磁通角的变化趋势不应相矛盾。事实上，电压矢量变化时，定子磁链幅值也会跟着变化，在一定条件下它的变化会和磁通角的变化趋势相矛盾。为避免这一现象的产生，传统控制中常采用舍弃那些引起定子磁链幅值和磁通角的变化趋势相矛盾的电压矢量，从而使得控制性能不能象期望的一样达到****。本文在分析引起定子磁链幅值和磁通角的变化趋势相矛盾的基础上，提出采用磁链区间细分控制的直接转矩控制方案，通过仿真实验验证了其可行眭。

 

    1 电压矢量对定子磁链幅值和磁通角的影响

 

    对异步电动机而言，在忽略定子电阻压降的情况下，定子磁链与定子电压的关系为：

 

 

    由式(1)可知，定子磁链矢量顶点的运动方向和轨迹对应于当时所施加的电压矢量的作用方向,通过控制逆变器输出的电压矢量可实现对定子磁链矢量幅值与方向以及磁通角大小的改变。定子磁链的理想轨迹是以定子磁链矢量幅值为半径的标准圆形。电压矢量对定子磁链幅值与磁通角的影响效果如表1所示，电压矢量与定子磁链分区如图1所示，零矢量使定子磁链按自身规律自由衰减和减小磁通角。

 

 

    2 传统开关表的缺陷

 

    在异步电动机的直接转矩控制系统中，电机输出的电磁转矩由下式确定：

 

 

    由式(2)可知，在直接转矩控制系统中，电磁转矩的增减变化是由定子磁链幅值与磁通角两者的增减变化决定的(转子磁链以同步角速度沿圆形轨迹旋转，其幅值由负载决定)，通过上述分析知道，任何一个电压矢量都同时引起定子磁链幅值和磁通角产生变化，两者变化的趋势决定了电磁转矩的变化趋势。尤其当两者变化相矛盾时，变化快的一个则起主要作用。目前直接转矩控制大都采用Bang-Bang控制，即磁链控制器采取两点式滞环比较器，转矩控制器采取三点式滞环比较器，传统开关状态表如表2所示。

 

 

    表2的建立是有一定的前提条件的，也就是说要求初始磁通角必须小于60°[3]。该开关表至少存在以下方面的缺陷：一是在任一扇区内可利用的电压矢量减少为四个，对电压矢量的****选择造成了影响。如1扇区内U3、U6对定子磁链幅值和磁通角的增减变化不一致进行了舍弃；二是在初始磁通角大于60°的情况下，开关表的某些电压矢量对电磁转矩的实际影响与开关表所期望的效果相矛盾。如1扇区内电压矢量U4的作用，在开关表中U4是起增大转矩的作用的，但是当初始磁通角大于60°时，可分析出它的作用是减小转矩；三是由于作用于相邻两个扇区的电压矢量并不相同，所以系统对扇区的判断必须准确，如果扇区一旦判错，则电磁转矩的脉动就会很大，这在后面的仿真中得到证实。

 

    3磁链区间细分控制

 

    3.1磁链区间细分的实现

 

    设六边形磁链控制所需的磁链开关信号为

 

 

区间中对电机磁通角与磁链幅值的影响，分析结果如表3所示。

 

    从表3可以看出，同一电压矢量在3个连续区间中所产生的作用基本相同。这样，假如磁链区间判错，只要磁链、转矩调节器输出没有发生错误，合

 

 

理地选择电压矢量，系统转矩及转速响应并不会产生很大的影响。对那些在3个连续区间中不相同的电压矢量，采取少用或跟其它电压矢量协调工作的方式，减少其对电机性能的影响[4,5]。因而，在参数准确的条件下，12区间的磁链细分控制相比6区间磁链控制有更好的转矩、转速响应。如果磁链控制器仍采取两点式滞环比较器，转矩控制器采取三点式滞环比较器，则可得出开关状态表，如表4所示。

 

    4 仿真及结果分析[6]

 

    以上分析了磁链细分控制的可行性以及各电压矢量的选择，从表4中可看出，在任一区间内8个电压矢量都可以合理利用，也不存在某个电压矢量对磁链幅值与磁链角产生相矛盾的现象；并且同一电压矢量在3个连续小区问中的作用是相同的，从而使系统表现出了对定子磁链相位角的鲁棒性，改善了系统的动态性能。为了进一步验证其可行性，在Matlah／Simulink环境下与6区间的圆形磁链控制进行了对比仿真。

 

    仿真所用的电机参数为：额定功率P=2 kw，额定转速n=l 452 r／min，极对数p=2，定子电阻Rs= 2.33 Ω，转子电阻Rr=2.128Ω，定子感抗Xs=2.438Ω，转子感抗Xr=4.48Ω，互感抗Xm=90.12Ω，机械转动惯量J=O.038kg·㎡。仿真时先让电机空载起动到给定转速120 rad／s，在0.5 s时给系统突加15 N·m的转矩脉动，在1 s时电机开始调速，使电机转速达到140 rad／s，在2 s时电机开始减速到原给定转速，仿真时间为2.5 s。图4是两种控制方法在初始磁通角为15°、定子磁链相位角误差为±10°时的转速与转矩特性，图5是两种控制方法在初始磁通角为65°、定子磁链相位角误差为±30°时的转速与转矩特性。

 

 

    从仿真结果中可以看出，在初始磁通角小于60°时，磁链细分控制比传统控制时的起动速度快，转速跟随性好，起动时转矩的脉动明显要小，运行过程比较平稳，传统控制由于定子磁链相位角有误差出现了较大的脉动，在转速变化时更为明显。尤其是当初始磁通角大于60。、定子磁链相位角误差为±30。时，磁链细分控制体现出了较大的优势，运行时转速仍能保持较好的跟随性能，转矩脉动虽有增大，但对控制性能没有造成太大的影响，对定子磁链相位表现出了较好的鲁棒性。

 

    5 结语

 

    磁链区间细分控制使得系统的控制更为精细，8个电压矢量都得到了充分的利用，克服了定子磁链幅值和磁通角变化相矛盾时对系统转速与转矩的不利影响。主要表现在起动速度快、转速跟随性好、转矩脉动小、运行过程比较平稳，提高了系统的动静态性能与对定子磁链相位的鲁棒性。

 

    参考文献

 

    [1] 李夙异步电动机直接转矩控制[M].北京：机械工业出版社，1994.

 

 

    作者简介：黄祯祥(1970-)，男，硕士，讲师，主要研究方向为电  动传动与智能控制。