1、迫軋乃控制應用200&35(10控制與應用技術EMOA基于預測控制的雙三相異步電機直接轉矩控制策略球李山1,肖蕙蕙2(1.重慶大學電氣工程學院,重慶400045;2.重慶工學院,重慶400050摘要:介紹了一種新穎的雙i相異步電機直接轉矩控制(DTC策略。該策略根據預測控制算法來跟蹤轉矩和磁鏈的設定值,轉矩和磁鏈的誤差町在一個控制周期內得到補償。從而有效降低轉矩和磁鏈的脈動。通過系統仿真,驗證了該控制策略是正確有效的。關鍵詞:雙三相異步電機;預測控制;直接轉矩控制中圖分類號:TM301.2:TM343文獻標識碼:A文章編號:1673-6540(200810-0031-05Direct

2、Torque Control Strategy of Dual Three PhaseAsynchronous Machine Based on Predictive Control/2Shanl,XIAO Hui.hui2(1.Institute of Electric Engineering,Chongqing University,Chongqing400045,China;2.Chongqing Institute of Technology,Chongqing400050,ChinaAbstra譙:A novel direct torque control(DTCstrategy o

3、f dual three-phase asynchronous machine Was disclLssed.The strategy was able to track the setting value of torque and flux based on a predictive algorithm.The error of torque and flux could be offsetted in the control period,80the ripple of torque and flux WS.S reduced effectually.Through system imi

4、tation,the validity of these strategies is pmved.Key words:dual three-phase asynchronous machine;predictive control;direct torque control0引言雙三相異步電機是目前多相電機中得到廣泛研究的對象之一。它通常是將三相異步電機的600相帶繞組等分為2個相帶,得到2套互差30。電角度、中點隔離的對稱三相繞組,其轉子采用與三相異步電機相同的標準籠型結構,如圖l所示。這種結構的主要優勢是消除了6步階梯波電壓源逆變器供電時,三相異步電機電磁轉矩中存在的6次諧波轉矩脈動,同時

5、消除了氣隙磁鏈中6k±1次諧波(k=l,3,5¨1;此外,該結構在降低逆變器開關器件功率等級要求及提高可靠性等方面都具有明顯的優勢¨J。雙三相異步電機的控制在很大程度上可以借鑒三相電機的控制策略。文獻1提出的町控重慶市自然科學基金資助項目(8662制方案性能非常有限;文獻3的轉子磁場定向控制方案(RFOC通過坐標變換,實現了磁鏈和轉矩的解耦控制,但必須采用電流控制環來控制定子電流。直接轉矩控制(DTC作為一種高性能的控制策略,在三相電機的控制中已得到了廣泛應用。與三相異步電機相比,多相異步電機具有更多的空間電壓矢量,在DTC中具有更大的選擇余地,能實現定子磁鏈和轉

6、矩的更精確控制。文獻4分析了電機的不同幅值電壓矢量對磁鏈和轉矩的影響,根據磁鏈和轉矩誤差大小分別應用大、中、小電壓矢量;文獻5則利用模糊控制器對定子磁鏈和電磁轉矩的誤差進行模糊化處理,通過模糊決策來選擇逆變器的期望電壓矢量。但這一類基于查表的控制方式均存在轉矩、磁一3l一控制與應坩技術E眥A迫札再才空制應用2008,35(10盧一三坐圖1雙三相異步電機結構示意圖鏈和電流脈動大,逆變器開關頻率不恒定等缺點。本文提出了一種基于預測控制的雙三相異步電機DTC方法,根據在一個周期內使定子磁鏈和變換矩陣瓦的表達式為f1:÷f。J1I ,L0用空間矢量脈寬調制(SVPWM技術合成這個輸出電壓矢量

7、。由于本方法輸出電壓矢量的大小和方向是任意的,因而能更好地實現對磁鏈和轉矩的跟蹤控制,并有效地降低轉矩和磁鏈的脈動,保證逆變器開關頻率恒定。1電機數學模型雙三相異步電機是一個六維空間系統,依照矢量空間分解的方法,雙三相電機原始的六維空間通過變換矩陣瓦能夠分解為三個相互正交的子空間,即(d,盧,(/x1,/.t2和(=。,z2。其中:基波分量被映射到(a,口,它們將提供氣隙磁鏈和轉矩;而6n±1(n=1、3、5次諧波分量和零序分量分別被映射到(p。,/.t:和(z。,乞,它們不產生氣隙磁鏈,但帶來定子電流的諧波損耗J。圖2給出了各子空間的等效電路,可以看出,只有(d,口的電流參與能量轉

8、換,且雙三相異步電機在(a,口的模型與三相異步電機完全一致。(pl,/z2子空間(21.z2子空間圖2雙三相異步電機等效電路圖子空間(d,盧的數學模型為f。=R。i。+P蛾t0=R,i,+P堿一jtO,職(2一32一蘭乩s¨肌.!r(3【職=L,i,+肘i。式中:哆、g'r分別是定子和轉子的磁鏈;工。、,分別是定子和轉子的電感;7卜互感;tO,電機轉速;p微分算子。電機轉矩方程為瓦=P(肇么i單一噦舀i。=P(蛾o i.,(4式中:卜電機極對數。2預測控制算法由式(2一(4可寫出雙三相異步電機在子空間的動態轉矩和磁鏈表達式。考慮到穩態時。轉子磁鏈蛾與定子磁鏈敢無論在相位還是幅

9、1l1IO一一Ol(笪上直÷。笪上笪上o。一笪。專魚2告笪2。o迫扎與柱芾J應閉28.35(10控制i應用技術EMCA值上均很接近"3。因此,可用敢來代替識,有f警五噸-5.【。曇tP(破o;。一ar玩硯一Rmt(5其中:L。=(。,一M2/M;R。=R,L,/M+R,已。/M。預測控制的基本思想是:根據電磁轉矩和磁鏈的當前誤差,選擇一個使誤差趨于零的電壓矢量。設系統的采樣周期為t,電磁轉矩和定子磁鏈的誤差分別為AT,和哆,該誤差在一個采樣周期內得到補償,可將式(5離散化,有:r職/t=孑。(k+1一R。;。(k硯(后/哆(后。t/t一州或(后O玉。(后一L,(I|夠(|一

10、R。t(后(6將上式展開有f哆/t=穢。(k+1肇0(k+穢s8(k+1I肇每(k一R。i。(k孕k(k一l R。i胡(k%(k/夠(kILoar/r.=尸(J|穢咿(k+1一1%(后%(蠡+1一甜,(后妒:(k。一R。re(k(7解上述方程組,有fC。(k=以(k哆(k/v.+IR。i。(I|噦o(矗+i啦(后妒(后1C2(后=。,Aro/r.+Rmt(j|+I 1,o,(后1/,:(k(9通過預測算法得到的電壓矢量就是逆變器輸出的參考電壓矢量,即舀j=玉。(k+1。由于該電壓矢量是任意的,需要通過SVPWM技術進行矢量合成。此外,在(a,盧內,雙三相異步電機具有與三相異步電機完全相同的數學

11、模型。因此,其定子磁鏈的觀測可以采用三相電機中常規的方法。系統控制原理框圖如圖3所示。O簍Hr甜r鰳k 盧僻I圖3直接轉矩預測控制原理框圖六相3SVPWM算法6階電壓源逆變器共有64種轉換開關狀態,與此相對應的有64種空間電壓矢量。選擇空間矢量的原則是:在子空間(a,口中具有最大的幅值,而在(肛。,p:中具有最小的幅值。滿足上述要求的12個電壓矢量如圖4所示。%“%o(an夕6么r/5"吩K2(b圖4雙三相電機工作的電壓矢量一33驀一他+他后后慨%慨%后,彤舊以心州I'l'+七七:,心烈中似一0其控制與應用技術4EMCA電札與楦毋J應閉2008.35(10參虧電壓矢量

12、田4/I電壓矢量棚苓失重笛成,這樣可以保證在每個采樣區間中,在(p,/.t2平面上的平均電壓可能為零。文獻5推導了各矢量的作用時間如下:k=等軸n(詈訓k=等“喁+號馴n(詈一鞏k=號刪n鞏+等馴n(詈喝k=等“n鞏l%=瓦一警(sjn兜+sin(孑一晚(a定子磁鏈(c電磁轉矩式中:如而f和圪之間的夾角。4系統仿真本文對雙三相異步電機傳統DTC和預測DTC進行了仿真,仿真電機參數如下:P。=10 kW,U=40V,r.=0.352Q,r,=0.138Q,L。= L,=66.4mH,M=61.1mH;采樣頻率為10kHz。圖5為預測DTC空載起動過程的磁鏈、轉矩和定子相電流波形。波形表明:定子磁

13、鏈軌跡非常圓滑,其幅值能很好地跟蹤給定值;在起動過程中,轉矩具有非常快的動態響應和極小的紋波;系統到達穩定狀態所需時間約為150Ills,其穩態時的轉矩紋波約為±0.5Nm;由于采用SVPWM 技術,穩態電流近似為正弦,電流諧波得到了有效抑制。(b定子電流圖5預測DTC的仿真波形圖6為常規DTC空載起動過程的磁鏈、轉矩和定子相電流波形。與預測DTC相比,其磁鏈和轉矩的紋波要大得多,穩態時轉矩紋波約為±2Nin,系統的動態響應也明顯變慢;穩態電流為扭曲的正弦,明顯含有大量的高次諧波。5結語由于雙三相異步電機結構的特殊性,子空間一34一(d穩態電流(/.t,胞的諧波電壓將在定子

14、繞組中產生較大的諧波電流。將常規的DTC策略直接用于雙三相異步電機,除帶來較大的轉矩紋波和不定的開關頻率外,還將產生較大的定子諧波電流。本文提出的基于預測控制的DTC方法,具有恒定的開關頻率,能在一個控制周期內很好地跟蹤磁鏈和電磁轉矩給定值,有效地減少了磁鏈和轉矩的紋波。通過仿真,證實了系統具有快速的動態響應。迫札與控制應flJ2008,35(10控制與應用技術l EMCA菖堇k(a定子磁鏈(c電磁轉矩(b定子電流圖6常規DTC的仿真渡形以及極小的轉矩脈動和近似正弦的電流波形。4【參考文獻】123Abbas M A,Christen R,Jahns T M.Six.phase volt-age

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