摘要：分析了基于空間矢量調制(sVM)的異步電機直接轉矩控制算法的原理，并加以改進，引入磁鏈觀測全速度模型，使磁鏈觀測更加準確。通過Matlad/Simulink仿真研究，驗證了算法的有效性。在此基礎上實際應用于基于Vxworks嵌入式系統的變頻調速系統平臺，取得了良好的控制效果，證明此算法在工程中具有很好的應用前景。
關鍵詞：感應電動機；直接轉矩控制；空間矢量調制；磁鏈全速度模型；嵌入式系統；實驗
O引 言
隨著交流調速系統得到越來越廣泛的應用。
交流調速控制理論得到了快速發展，越來越多的先進的控制方式應用到交流調速中。直接轉矩控制(DTc)因其系統結構簡單、轉矩能直接控制、轉矩動態響應快速并對電機參數表現出強的魯棒性等，而得到了廣泛的關注。但常規DTc采用的是轉矩、磁鏈滯環比較器，以此按一定規則從預制的開關表中選取合適的電壓空間矢量對電機轉矩、磁鏈進行直接控制。文獻[2]分析表明此種選擇電壓矢量的方式無法同時滿足系統對轉矩和磁鏈的雙重要求，會導致DTc系統出現較大的磁鏈、轉矩脈動。此外常規DTc系統開關頻率不恒定，功率器件的容量無法得到充分的利用，并且在大功率IGBT要求開關頻率比較低的情況下，容易使開關器件燒毀。
空間矢量(sVM)調制方式不僅可以提高系統穩態性能，同時也使逆變器的開關頻率變為近似恒定，因此被認為是改善DTc穩態性能的一種很有前途的方法。IJascu。于2000年采用了兩個P1調節器實現電壓矢量計算的異步電機空間矢量調制(sVM—DTc)。目前對此算法的研究集中于通過MaⅡah模型驗證此算法的有效性和基于DsP平臺的簡單實現。文獻[4-5]通過Madab仿真驗證了此算法的優異的控制效果，但并未給出PI調節參數，以及未考慮到實際系統中開關頻率的限制。文獻[2]、[6]給出了此算法基于DsP的簡單實現，但在工程應用中專用DsP平臺受軟硬件條件的限制，在實現系統的優化和復雜算法時較為困難。
本文更深入地分析了sVM在DTc系統中的實現方法，在數學上分析了svM與DTC的簡單結合方式，特別是在磁鏈矢量的觀測方法方面，用磁鏈的全速度模型代替較為常用的磁鏈電壓模型，以期在不增加系統硬件復雜性的條件下改善系統 的穩態性能，并保持優異的動態性能。同時采用對稱的sVM的調制方式，以確保功率器件的開關頻率恒定。通過仿真驗證了其可行性并取得了較好的效果。在此基礎上，進行實驗室條件下的基于Vxwworks嵌入式系統實驗平臺的開發，實際運行效果良好，體現了此算法在工程應用中的價值。
l基于SVM—DTC的控制系統
1．1系統結構方框圖
SVM DTc系統框圖如圖l所示。其中參考電壓矢量uref估計器和SVM單元替代了常規DTc中的磁鏈、轉矩滯環比較器和開關表。在圖1中，檢測到的電機定子電壓電流信號經全速度磁鏈模型計算得定子磁鏈值φs、電磁轉矩值Te和磁鏈位置角θ。所得定子磁鏈與電磁轉矩值與給定值之差經PI調節輸出為旋轉坐標系下的參考電壓矢量Uduq再經過Park變換，得到靜止坐標系下的參考電壓矢量uref作為sVM單元的輸入，經空問矢量脈寬調制得到開關控制PWM信號。
1. 2 SVM概念
采用sVM的目標是利用逆變器固有的基本空間電壓矢量合成所需的參考電壓空間矢量。傳統的直接轉矩控制中，只有6個有效的電壓矢量u1～u6和兩個零矢量u0，u7。這8個矢量稱為基本空間矢量，它們把復平面分成6個扇區。svM技術就是將根據磁鏈和轉矩誤差得到的目標電壓矢量，用這6個基本電壓矢量和兩個零電壓矢量中相應的矢量電壓來合成。在某個時刻，Uout旋轉到某個扇區中，就由組成這個扇區的兩個非零矢量Ux、Ux+60和零矢量分別作用T1、T2和T0時間來合成。
在每個扇區內，可求得近似表示目標矢量電壓的兩個基本電壓開通持續時間公式。假定目標電壓矢量落在第一扇區，參考電壓矢量Uout用它的（αβ)軸分量uα和uβ表示。
圖2中，參考電壓矢量Uout位于基本空間矢量U0、U60所包圍的扇區中，因此Uout可以用這兩個矢量來表示。于是有如下等式：
式中，T為一個PwM控制周期；T1、T2為合成目標矢量的兩個基本電壓矢量持續時間；T0為零矢量持續時間。
將目標電壓矢量分解到α一β坐標系，得：
同理可計算得出目標電壓矢量在每一個扇區時基本空間電壓矢量開通持續作用時間。
設目標電壓矢量用這兩個基本電壓矢量uX和Ux+60零電壓矢量來合成，T1,T2分別為uX和Ux+60持續作用的時間。采用對稱規則采樣技術，一個開關周期內，電壓矢量作用的次序和時間為：
由此可知，每個開關在一個調制周期內需要開通和關斷各一次，實現了逆變器開關頻率恒定。
1．3全速度模型
磁通的觀測在直接轉矩控制技術中起著至關重要的作用。傳統磁鏈觀測器一般采用電壓模型或電流模型。電壓模型結構簡單，但在低速時計算誤差大；電流模型低速性能好，但易受電機參數變化的影響。本系統采用u—n模型作為定子磁鏈的觀測模型，綜合了n—i和i—n模型的優點，由定子電壓和轉速來獲得定子磁鏈。由式(2)得到轉子磁鏈φra信號。根據式(3)得到定子磁鏈φra信
號，根據式(4)得到定子電流isa信號。
根據上面三組方程式構成的u一n模型如圖3所示。通過輸入定子電壓和轉速信號，來計算獲得電動機其他各量，很好地模擬了異步電機的各個物理量。
1．4參考電壓矢量uα和uβ的確定
定子磁鏈幅值誤差和轉矩誤差分別經過一個P1控制器，得到了參考電壓向量在旋轉坐標系下的兩個分量ud與uq：
這兩個分量可以獨立地控制定子磁鏈和轉矩，再經過Park變換，即得到空間向量調制所需的參考電壓向量uα與uβ.
2仿真研究
仿真選用三相交流異步感應電機 P= 4kW
動轉矩為30 N·m。轉速達到給定值穩定之后，在t=0．1 s加負載轉矩為20 N·m，定子磁鏈軌跡，電流、轉速、轉矩變化波形如圖4所示。
由仿真波形可見，系統在不到0 05 s內達到設定轉速。無論在起動還是在突加負載的情況下，磁鏈軌跡比較接近圓形；轉矩響應很快，穩態時轉矩波動范圍小于±O．3 N·m；定子電流在起動過程中很大，但很快達到穩定。三相定子電流為互差120。相位角的正弦波形；無論是在起動加速還是在穩態運行時，系統各項響應效果都非常好。
由此可驗證此算法可應用于實際系統。
3嵌入式系統的實現及結果分析
本實驗所應用的的變頻調速系統主電路結構參見文獻[8]。嵌入式系統硬件平臺采用美國GE公司的VMIc高性能控制器。該控制器具有豐富的硬件開發資源支持，包括各種高性能的處理器模板、智能I／O模板、通訊組件及外圍輔助監視控制設備等，便于不同系統功能的集成一體化實現。
軟件平臺采用嵌入式實時操作系統vxworks。由于控制系統中控制任務或控制算法的實現最終要靠應用程序來完成，在本系統軟件的設計中，必須在一定的時間限制內，完成一系列的處理過程，包括對異步電機的被控量(電流、電壓以及轉速等回饋信號)進行采樣、計算、邏輯判斷，完成控制算法，輸出控制信號，同時要對可能出現的故障報錯并進行處理。因此，采用基于vxworks的實時多任務的設計方法。
實驗室首先完成對此異步電動機的空載驅動實驗。電機參數為額定功率Pe=4 kw，額定電壓Ue=380 V；實驗中直流側母線電壓為540 v。
電機能夠按照設定的轉速穩定運行，但在電機起動和加減速過程中，電流電壓波形變的很不規則，電機會帶有略微的振動。分析原因可能是由于代替滯環比較器的兩個PI調節器參數是按著穩定運行時狀態計算調節的，在動態調節過程中，出現參考電壓誤差，致使sVPwM部分選擇電壓矢量不夠準確。如圖5、圖6為電機在額定頻率50Hz下運行的情況。由電壓波形可知，采用svM一DTc控制方式基本實現了開關頻率的恒定。電流波形接近正弦波，但有明顯諧波干擾。原因是空載電流很小，干擾作用比較明顯，說明控制算法內部參數尚需要進一步調整。
 
4 結語
本文闡述了sVM—DTc算法的原理，并通過采用磁鏈全速度模型，對sVM—DTC系統加以改進，通過matlab仿真，驗證其有很好的控制效果。將此控制算法還成功地應用到了以嵌入式系統為控制核心的變頻調速系統。運行結果表明各項性能指標都達到了很好的效果，并且實現了開關頻率的恒定，充分顯示了此算法具有很高的工程應用價值。
|
