基于直接转矩控制的感应电动机转矩脉动最小化方法研究 孙笑辉,张曾科,韩曾晋 (清华大学自动化系,北京 100084) ??? 摘? 要:针对基于直接转矩控制的感应电动机在低速运转时存在较大的转矩脉动问题,该文提出一种新的控制方法.该方法在传统直接转矩控制的基础上,引入一个转矩脉动最小化控制器,以使感应电动机的转矩脉动达到最小.实验结果表明该方法能够有效地解决转矩脉动问题. ??? 关键词:转矩脉动;直接转矩控制;感应电动机控制 1 引言 直接转矩控制(以下简称DTC)的优点是转矩动态响应快、对转子参数的变化具有一定鲁棒性等,不足之处表现为存在转矩脉动,低速运转时表现更为明显.针对该问题,人们已提出一些解决方法:一种方法是采用较高的逆变器开关频率[1],其优点是降低了定子电流谐波含量,减小了转矩脉动,但增加了功率损失,降低了逆变器工作效率,同时要求逆变器具有高频开关特性等;另一种方法是采用两个并行连接的逆变器生成多个非零电压矢量[2],该方法在一定程度上解决转矩脉动问题,但逆变器结构变得复杂,而且需要监视Delta连接中的零相序电流.第三种方法是在传统的DTC原理图[4]上,在优化开关选择表与逆变器之间引入一个模糊估计器,利用模糊的方法估计一个控制周期内非零电压矢量作用时间,剩余的时间选择零电压矢量[3].这种方法原理简单,没有增加成本,由于采用模糊方法,计算量大,结果不十分精确.本文提出一种新的减小转矩脉动的感应电动机DTC方案,实验结果表明:在低速运行时,该方案能有效地减小转矩脉动,得到很好的转矩控制性能. 2 传统的感应电动机直接转矩控制 ??? 有关感应电动机直接转矩控制原理的详细论述,请参考文献[4].感应电动机电磁转矩可由下式表示: 磁链、转子磁链;v为定子磁链、转子磁链的夹角; Ls,Lr分别为定子绕组、转子绕组的自感; Lm为定子绕组与转子绕组的互感,p表示极对数. 3 转矩脉动最小化方案 ??? 首先来分析转矩脉动产生的原因.在传统的DTC方案中,若设定逆变器开关频率为f,开关周期可以表示为.在整个开关周期内,所选择的电压矢量一直作用于感应电动机,定子电流、转矩等量始终沿着一个方向变化.在转矩误差较小的情况下,所选择的电压矢量使转矩在一个开关周期的较短时间内就达到参考值,而余下的时间由于没有发生逆变器开关状态转换,所选择的电压矢量仍作用于电动机,使转矩继续沿原来的方向变化,产生较大的转矩脉动. 由以上分析可知,解决该问题最有效的方法是控制电压矢量的作用时间.在传统的DTC方案中,对感应电动机是以逆变器开关周期为单位进行控制,而在本文所提出的方案中,是以控制周 期为单位进行控制,这里设一个控制周期为 tsp.一般情况下,在一个控制周期中先选择非零电压矢量再选择零电压矢量,其作用时间分别为ts、-ts.ts为优化的非零电压矢量作用时间.下面来推导该量. 先分析式(1)中各个量对转矩的影响.d为常量,对定子磁链的直接控制使其幅值尽可能保持常量,因此|Φs|对转矩的变化几乎没有什么影响,为了简化计算,以下的转矩公式中都以定子磁链|Φsref|代替|Φs|.在动态过程中,转子磁链较定子磁链变化慢,通常忽略转子磁链的动态特性.角ν可以通过所选择的电压矢量相对快地变化,因此可以通过改变角ν控制转矩.在需要增加转矩的情况下,从优化开关选择表中选择一个非零电压矢量,该电压矢量能在定子磁链旋转方向的切向上分解出一个分量,使定子磁链相对转子磁链产生旋转,导致角ν增大,由式(1)可知,转矩增大.需要减小转矩时,选择零电压矢量,定子磁链停止,转子磁链继续缓慢旋转,使角 ν减小,导致转矩减小,以上各量的关系如图1所示. 先考虑在ktsp时刻转矩需要增加的情况,设根据传统DTC原理选择的电压矢量为 Vs.则在(k+1)tsp时刻Φs、Φr之间夹角变为 ν+Δν,转矩可以表示为 若在ktsp时刻需要减小转矩时,选择零电压矢量,此时定子磁链停止不动,转子磁链沿图1所示旋转方向缓慢移动.则在(k+1)tsp时Φs、Φr之间夹角变为ν+Δν ,转矩可以表示为 ζ1表示选择非零电压矢量时,转矩在tsp内的上升斜率,ζ2表示选择零电压矢量时,转矩在 内的下降斜率.由于磁链、速度的动态特性不是很快,且γ(k)-α(k)、ν>> Δν, is的动态特性虽然很快,但is是一个连续变化的量,在较短的时间内变化量 Δis较小,且Vs-Rs·is>>Δis·Rs, 因此可以认为在一个tsp内ζ1、ζ2是一个常量,如图2所示. 在一个tsp内,相对于转矩参考值的转矩脉动Te_ripp的平方[5]可以表示为 参考图2,式(9)中,Te_ripp是指在ktsp时刻转矩为 T0,经过上升段ab和下降段bc,在(K+1)tsp时刻转矩值又回到 T0.在本方案中,为了尽可能把转矩控制在所要求的容差2Δ T范围内,设转矩上升段ζ1t 与的交点为a',Te_ripp从初始值为的a'点开始,经过上升段 a'b'和下降段 b'c',在(K+1)tsp时刻又回到转矩值为 的c'点.按本方案对转矩脉动的定义,从式(9)的两项中分别减去aa'所表示的转矩值-T0,并整理得到本方案定义的Te_ripp平方 总的控制策略为 1)根据传统DTC原理,选择所需的电压矢量; 2)由式(6)、式(8)及式(11)计算出ts; 3)判断 ts的取值.若ts >tsp时,则在一个tsp内逆变器置于所选择非零电压矢量开关状态.若ts<0时,在一个tsp内逆变器置于零电压矢量开关状态.若0