讲稿-轨迹跟踪

1、低开关频率中压传动的定子磁低开关频率中压传动的定子磁 链轨迹跟踪控制链轨迹跟踪控制 天津电气传动研究所 马小亮 . 概述概述 基于高压大功率器件的两电平和三电平变频器 (PWM整流和逆变器)传动已得到广泛应用。 特点：降低开关频率以增大输出。 (EUPEC 6.5KV 600A IGBT) fs从800Hz降至200Hz，输出电流大约增加一倍。 . 概述概述 低开关频率带来的问题： 电流谐波大(不宜用常规PWM策略)； 动态响应慢(常规VC要多个开关周期) ； d、q轴控制交叉耦合。 a) PI调节 b) PI调节+前馈解耦补偿 . 概述概述 解决办法： 用同步对称优化PWM策略解决谐波问题。

2、 用定子磁链跟踪控制(FTTC)解决如何把优化 PWM用于快速系统问题。 用基于FTTC的闭环调速解决响应及耦合问题。 基于FTTC的闭环调速系统是一种与DTC和常规 VC都不同的新调速系统，用于M0.3场合。 . 同步对称优化同步对称优化PWM 问题 随fs降低，每个输出基波周期中的PWM方波数(FR) 减少，用常规的SPWM或SVPWM产生PWM信号，输 出波形中谐波太大，无法正常工作。 解决办法 采用同步对称优化PWM 同步 FR=整数，(常规PWM是异步调制) 对称 1/4周期左右对称和1/2周期正负半周对称， 优化PWM 指定谐波消除法(SHE-PWM)，消除N-1个特征谐波 (N是

3、1/4周期开加关次数) ，第一个未 消除谐 波被放大，需解N维三角函数联立方程； 电流階波最小法(CHM-PWM)，所有电流谐波THD 最小，需用遗传算法。 (两种优化PWM都有简单的近似算法) . 同步对称优化同步对称优化PWM fs =200Hz常规SVPWM和CHM- 对称和不对称THD PWM的三电平逆变器波形图 (a)同步不对称，(b)同步且对称 . 同步对称优化同步对称优化PWM 同步对称优化PWM的应用 离线计祘开关角ai (i =112N)，存于表P(M,N )中，工 作时根据输入电压矢量u*调用。f1用来把ai角变换成时 间ti，ti = ai /ws = ai /2pf1

4、(ws是定子角频率)。 控制框图 . 同步对称优化同步对称优化PWM 该控制框图只适用于V/F调速系统，稳态运行工况，一个 基波周期更换一次P(M,N )表中数据。 高性能系统要求在任意时刻更换P(M,N )表中数据，给系 统带来冲击，造成过流。 定子电流矢量轨迹图 . 同步对称优化同步对称优化PWM 产生冲击的原因 定子磁链初始值不对。 设原来按表中P1组角度工作，在t=t2时改成按P2工作 而P2对应的稳态期望磁链为 由于二式初始条件不同，使实际磁链偏离期望磁链，产 生动态调制误差矢量d，它按定子暂态时间常数衰减。 连续更改调用值，误差积累将导致系统故障。 )()( 2 )1()2()2(

5、 2 tdtt t t sssss u )()( 2 )2()2()2( 2 tdtt t t ssssss u . 定子磁链轨迹跟踪控制定子磁链轨迹跟踪控制(FTTC) FTTC解决如何把优化PWM用于快速系统问题。 在暂态根据期望的定子磁链矢量与实际的定子磁链矢量 (观测值)之差d修正P(M,N)表中的开关角，避免冲击。 . 定子磁链轨迹跟踪控制定子磁链轨迹跟踪控制(FTTC) 稳态期望磁链 通过积分按P(M,N )表中角度再造的电压矢 量 获得。 (tc调用开始时刻) 为减少长时间积分带来的计算困难和累积误差，把每个ai 角对应的稳态期望磁链 (ti) 也离线算好，存在P(M,N ) 表

6、中，一起调用。 积分初始值 (ti =ai /ws是领先tc的第i个开关角ai对应时刻) 时间差tc- ti很短，避免了长时间积分。 ss u ss )()( c t t tdtt c ssssss u ss )()( i t t c tdtt c i ssssss u . 定子磁链轨迹跟踪控制定子磁链轨迹跟踪控制(FTTC) 实际的定子磁链 来自按转子磁链定向的异步电动机电 流模型。 s )F()F()F( srs i sr lk . 定子磁链轨迹跟踪控制定子磁链轨迹跟踪控制(FTTC) 动态调制误差d用以修正P(M,N )表中ai，使d趋于最小。 磁链误差是PWM波形的伏-面积误差，可以通

7、是改变 PWM开关时刻来修正。采样和修正周期为Tk=0,5ms(小 于PWM开关周期)，在这周期中若某相存在PWM跳变， 便修正它的跳变时刻，无跳变便不修正。 修正的原理： 对于电压正跳变(标记为s=+1) ，若跳变时刻推后Dt0， 则伏-秒面积减小，反之则伏-秒面积增加； 对于电压负跳变(标记为s=-1) ，若跳变时刻推后Dt0， 则伏-秒面积增加，反之则伏-秒面积减小； 若无跳变，标记为s=0。 . 定子磁链轨迹跟踪控制定子磁链轨迹跟踪控制(FTTC) 以a相为例，若在Tk中存在n次跳变，其中第i次跳变的时 间修正量Dtai为，则在Tk中a相动态调制误差的修正量为 d矢量在abc三相坐标系

8、的三个分量即三相侍修正误差量， 代入上式可算出各相应修正的时间。 DD n i aiai d a ts u d 1 3 . 定子磁链轨迹跟踪控制定子磁链轨迹跟踪控制(FTTC) . 基于基于FTTC的闭环调速系统的闭环调速系统 A. “自控电机” VC中输入电压矢量u*(等于PWM输出基波，不含谐波)来 自电流调节器输出，含有噪声，把它送至优化PWM， 将导致P(M,N)错误调用和修正，系统紊乱。 解决办法 借助电机观测器建立一个能输出干净u*的 “自控电机”。 u*不来自电流调节器输出，而是优 化PWM输入，观测器输出一个干净的u*信号，又送 回PWM输入，这是一个自我封闭的稳态工作系统，

9、所有输出都是干净的基波值，仅在接受输入扰动信 号后才改变工作状态。 . 基于基于FTTC的闭环调速系统的闭环调速系统 混合观测器 定子模型是降阶观测器，转子模型是转子 磁链定向模型(电流模型电流模型)。 . 基于基于FTTC的闭环调速系统的闭环调速系统 B. 基于FTTC的闭环调速系统 引入“自控电机”后系统不能调速，必须通过外环加入 扰动矢量 才能改变原来的稳定工作状态。基于 FTTC的闭环调速系统外环由磁链调节器和转速调节器 (两个PI调节器)组成，沒有电流调节器。 s . 基于基于FTTC的闭环调速系统的闭环调速系统 磁链调节器的输出是定子磁链d轴分量给定 ，由于 转子磁链不与q轴耦合，

10、可以通过 控制来控制 。 转速调节器的输出是定子磁链q轴分量给定 ，由于 在 恒定条件下，转速和转矩不与d轴耦合，可以通过控 制 来控制转速和转矩。转矩和电流的限制由该调节 器限幅实现。 * sd sdsrd rd r k dt d sd rd * sq sqrd s r d l k T rd sq . 基于基于FTTC的闭环调速系统的闭环调速系统 和 合成得定子磁链给定矢量 ，与来自观测器的 比较后得“自控电机”的扰动矢量信号 。由于 FTTC的跟踪性能好，能很快消除磁鏈误差 ，从而 消除交叉耦合，实现磁链与转矩的分别控制和快速响 应。 为消除电机参数变化对系统影响，引入2个参数补偿PI调

11、节器，由于电机参数变化缓慢，这2个PI调节的比例系 数P很小，时间常数T大。 * sd * sq * s s1 s s . 基于基于FTTC的闭环调速系统的闭环调速系统 C. 30KW样机和1WM工业装置实验结果 . 基于基于FTTC的闭环调速系统的闭环调速系统 本调速系统性能优于常规VC。常规VC用电流调节器改变 PWM占空比来调节转矩，响应时间需多个开关周期， 在低fs下动态解耦效果不好。本系统通过改变PWM波 形前后沿角度来调节，响应过程有可在一个开关周期 内完成，动态解耦效果好。 本调速系统性能也优于TDC。TDC在低开关频率下电流 波形谐波大，影响装置出力。 . 结论结论 基于高压大功率器件的变频器要求低开关频率，带 来PWM波形谐波大问题。解决谐波问题的办法是采 用同步且对称的优化