一种新型直接转矩控制方法

一种新型直接转矩控制方法

0dtc基本原理直接旋转控制（tc）已经广泛使用。摒弃了理解分离的概念，直接控制旋转和磁链。它具有旋转响应快、对旋转参数变化不敏感等优点。DTC的出现引起了电机控制理论的研究热潮，国内外对DTC技术及系统进行了深入的研究，提出了很多改进方案，对DTC的理论作出了贡献。传统的直接转矩控制采用六边形磁链控制或六区间的圆形磁链控制。圆形磁链控制的结构比较简单，在参数准确的情况下，控制效果好。但它对定子磁链的区间判断要求严格[10,11,12,13,14,15,16,17]。当由于各种原因，特别是定子电阻的非线性时变带来的测量误差造成判错区间时，电机的控制性能就会变坏。本文分析并指出了考虑定子电阻压降影响时，传统六区段方式电压选择表的缺陷，提出十二区段控制方法及其电压选择表和实现方法。理论分析和仿真实验结果表明十二区段方法电压矢量切换引起的转矩最大变化量将相应的减小，可大大减小转矩的脉动,十二区段控制方法较六区段控制方法有更好的性能。1转子电压矢量的作用直接转矩控制是基于静止坐标系来对磁链和转矩进行控制的，静止坐标系下数学模型为：定子电压和转子电压方程式定子和转子磁链方程电磁转矩方程式式中：us、ur分别为定、转子电压矢量；is、ir分别为定、转子电流矢量；ψs、ψr分别为定、转子磁链矢量；Rs、Rr分别为定、转子电阻；Ls、Lr、Lm分别为定、转子电感、互感；ω为转子角速度；np为极对数；Te为电磁转矩；D为微分算子。对转矩公式(5)两边进行求导并结合式(2)～(4)整理可得转矩变化率公式式中Rm=LmLrRs+LrLsRr。在直接转矩控制中，对电流进行限制的情况下，转子磁链与定子磁链很接近，在负载不超过额定负载很多时，可以认为ψs≈ψr，于是，式(6)可近似得式(7)表示在非零电压矢量作用下而产生的转矩变化。若电机逆时针方向运行，则根据右手法则，当定子电压矢量超前于定子磁链矢量的相位在180°范围内时，(ψs⊗us)>0，当定子电压矢量落后于定子磁链矢量的相位在180°范围时，(ψs⊗us)<0。但由式(7)可以看出，只有当np(ψs⊗us)>npωψs2+npωψs2+RmTe时，转矩才增加。也就是说，当定子电压矢量超前于一定的角度θ2后，才能使转矩增加。角度θ2可用式(8)表示忽略定子电阻压降时电压矢量对定子磁链幅值的作用式中：Ts为采样周期；θuψ为电压矢量和磁链矢量的夹角。考虑定子电阻压降时，根据定子电压方程式(1)可得其中Es为定子反电势矢量。则而定子电压矢量和反电势矢量的夹角θ1为综上分析，可以得到考虑θ1角和θ2角的影响时定子电压矢量对定子磁链和电磁转矩的作用的结论如图1和表1所示。表中θ1角和θ2角的值由式(12)和式(8)给出。2分段选择的讨论传统直接转矩控制逆时针旋转时的电压矢量表如表2所示。表中，Fψ表示是否需增加磁链，Fψ=1时表示需要增加磁链，Fψ=0时表示需要减小磁链。FT表示是否需增加转矩，FT=1时表示要增加转矩，FT=0表示要减小转矩。Fψ和FT分别表示磁链和转矩双位调节器的输出。区段一，二，…六表示定子磁链所在的区段。区段是以α轴为一区段的中心，沿逆时针方向顺序等分的，如图2所示。根据表2，当定子磁链处于一区段时，选定子电压矢量us2为增加磁链幅值和增加转矩。实际上，当定子磁链矢量处于图2中一区段ψs1的位置时，如果图中对应的θ角小于图1中的θ1，那么us2的作用是使磁链幅值减小。同样，根据表2，当定子磁链处于一区段时，选定子电压矢量us6为增加磁链幅值和减小转矩。实际上，当定子磁链矢量处于图2中一区段ψs2的位置时，如果图中对应的θ角小于图1中的θ1角，那么us6的作用是使磁链幅值减小。其它区段的分析及结论相同。考虑定子电阻压降影响时，传统磁链闭环直接转矩控制的电压矢量选择表在某些情况下是不正确的。对于6个工作电压矢量、六区段的控制方法，若考虑定子电阻压降的影响，很难在一个区间内选用一个电压矢量来同时实现定子磁链幅值和转矩的增加或同时实现定子磁链幅值增加和转矩减小。此外，一个区段内，定子电压对定子磁链作用是不平衡的，将导致定子磁链轨迹在一个区段内非均匀变化，在区段线附近特别明显。这将导致磁链的轨迹不再是一个圆形。反映到电流上，将会引起电流的畸变。这种畸变必然会对系统的性能产生不良的影响。3直接旋转试验和12个区段性能分析3.1二区段电压选择表根据前面的分析，考虑定子电阻压降影响时，传统磁链闭环直接转矩控制的电压矢量选择表在某些情况下是不正确的。另外，传统磁链闭环直接转矩控制磁链幅值在区段线附近严重不对称，这将影响磁链、电流、转矩的控制性能。本文提出了十二区段磁链闭环直接转矩控制方法。即，将六区段方法区段线附近的部分作为另外6个新区段，分别是二区段、四区段、六区段、八区段、十区段、十二区段，如图3所示。这样，将圆分成了12个区段，每个区段为30°。根据前面分析的结论及图1可以分析出十二区段的电压选择表，如表3所示。在表3中，当定子磁链矢量处于图2中一区段ψs1的位置时，使磁链幅值增加和转矩增加的定子电压矢量选用us1；当定子磁链矢量处于图2中一一区段ψs2的位置时，使磁链幅值增加和转矩减小的定子电压矢量选用us1。即表3十二区段电压矢量表中十二区段和二区段对应的值。这样就纠正了本文分析出的，传统六区段方法当定子处于图2中ψs1和ψs2的位置并且θ角小于图2中的θ1角时，选择us2作为增加磁链幅值和增加转矩的电压矢量和选择us6作为增加磁链幅值和减少转矩的电压矢量的错误。3.2二区段的一区段内磁链幅值的变化按照电压矢量表3，在十二区段的一区段，逆时针方向运行时，使磁链增加和减小的电压矢量分别为us2和us3，根据式(9)对应的磁链变化量为其中θuψ1和θuψ2分别为定子电压矢量us2与定子磁链矢量的夹角和定子电压矢量us3与定子磁链矢量的夹角。以区段中心线为中心，则磁链ψs在十二区段的一区段内与中心线的夹角在-15°～15°之间变化。于是，可以画出在十二区段的一区段内，分别选择电压矢量us2和us3时磁链幅值的变化曲线如图4所示。在十二区段的二区段，逆时针方向运行时，使磁链增加和减小的电压矢量分别为us2和us4，根据式(9)对应的磁链变化量为其中：θuψ1和θuψ2分别为定子电压矢量us2与定子磁链矢量的夹角和定子电压矢量us4与定子磁链矢量的夹角。可画出以区段中心线为中心，磁链ψs在十二区段的二区段内与中心线的夹角在-15°～15°之间的变化曲线，该曲线与图4中一区段的磁链幅值变化曲线相同。用同样的方法可以分析得到另外十个区段中也有相同的磁链幅值变化曲线。与六区段方法相比，采用十二区段控制时，增加磁链和减小磁链的两个矢量对磁链幅值的影响比较对称，改善了六区段时产生较大的磁链幅值波动，并可以减小电流畸变。3.3零电压矢量至工作电压矢量的切换传统的直接转矩控制系统是用6个位置固定的基本工作电压矢量和零矢量来进行转矩控制的，电压的选择是通过电压矢量表查表的方式来实现的，必然要涉及到电压矢量之间的切换，而这种切换是非连续变化的，将导致转矩输出的非连续变化，下面将分析六区段和十二区段控制方式时，不同电压矢量切换时对电磁转矩的影响。由式(7)可得第n周期的转矩值为下面以一区段为例，分析不同电压矢量切换的情况。根据电压矢量表，在一区段，可能在us2,us3,us6,us5工作电压之间切换，本文讨论us6至us2,us6至us3,us2至us3之间的切换。还可能在零电压矢量和工作电压矢量之间切换，本文讨论零电压矢量至工作电压矢量us2,us3,us6的切换。这些电压矢量之间的反向切换引起的转矩变化的绝对值与正向切换的绝对值是一致的。(1）非零电压矢量之间的切换。在第n-1周期us2作用下的转矩值为由于第n-2周期仍然是us2的作用，因此上式中Te(n-2)≈Te(n-1)。在第n周期切换至us3，第n周期us3作用下的转矩值为式(15)减去式(14)可得us2切换至us3时的转矩变化式中：θ3为us3与ψs之间的夹角；θ4为us2与ψs之间的夹角。如果以一区段的中心线作为空间矢量零度的参考，ψs的空间相位用θψs表示，则θ3=120°-θψs，θ4=60°-θψs，于是，式(16)可以写成同样方法可以得到us6至us2和us6至us3切换时的转矩变化为(2）零电压矢量至us6,us2,us3的切换。由式(7)可知在第n-1个周期零电压矢量作用下的转矩值为由此可求得零电压矢量切换至us6时的转矩变化式(21)，零电压矢量切换至us2时的转矩变化式(22)和零电压矢量切换至us3的转矩变化式(23)式(17)～(19)、(21)～(23)中，对于六区段控制，ψs的空间相位角θψs的范围是(-30°≤θψs≤30°)；对于十二区段控制，ψs的空间相位角θψs的范围是(-15°≤θψs≤15°)。不同电压矢量切换时引起的转矩变化的范围，可用电压矢量切换引起转矩变化最大值的相对值表示，以表格的形式表示如表4所示。由表4可以看出，无论什么电压矢量之间的切换，与六区段方法相比较，十二区段方法电压矢量切换引起的转矩最大变化量将相应地减小，因此可大大减小转矩的脉动。4系统转速响应曲线本文对六区段和十二区段控制进行了磁链观测准确条件下和磁链观测存在误差条件下的控制性能仿真试验。仿真系统的电机参数为：PN=2kW,nN=1450r/min,TN=14N⋅m,Rs=2.33Ω，Ls=0.2994H,Rr=2.12Ω，Lr=0.3007H,Lm=0.2866H。系统给定磁链幅值ψg=0.8Wb、磁链调节器容差εψ=0.04Wb，转矩调节器容差εT=0.5N⋅m。图5～7分别为相同条件下六区段和十二区段控制方式的转速响应曲线、磁链轨迹和电流波形。从波形可以看出，十二区段控制方式有较快的转速响应，较理想的磁链轨迹和电流波形。图9和10分别为磁链观测存在误差时两种控制方法的转速与在磁链观测存在误差的条件下，从转速响应中可以看出，当磁链观测误差达到一定程度时，六区段圆形磁链控制方法转速将不能很好的跟踪系统的给定转速，而采用十二区段圆形磁链控制方法时系统仍然能够很好的跟踪转速变化。从转矩响应曲线中可以看出，在存在磁链误差的条件下，采用六区段圆形磁链控制时转矩脉动明显的增大了；而十二区段圆形磁链的转矩则响应很好。相比较之下，在磁链产生观测误差