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無刷雙饋電機直接轉矩控制策略的研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:205

   摘要:研究了無刷雙饋電機和直接轉矩控制策略,提出了一種磁鏈和轉矩的計算方法,實現了在不同坐標系下對磁鏈和轉矩的計算,簡化了磁鏈、轉矩觀測器的數學模型,給出了基于這一方法的無刷雙饋電機直接轉矩控制策略的仿真模型,并進行了系統仿真,結果表明該系統結構簡單,目標明確,計算量小,控制準確,實時性好,在亞同步電動和超同步電動狀態下均可適用。

1引  言

   無刷雙饋電機(以下簡稱BDFM)是一種結構簡單、運行可靠、異同步通用的電機。它的基本結構是一個定子、一個籠形轉子,在定子上放置兩套三相繞組,一套為功率繞組(p繞組),直接接至工頻電源;另一套為控制繞組(c繞組),經變頻器接工頻電源。改變定子控制繞組的電源頻率和相序可實現雙饋運行。由于通過變頻器的功率僅占電機總功率的一小部分,可以大大降低變頻器的容量,從而降低了調整系統的成本,因此它特別適用于大容量交流變速傳動系統和變速恒頻恒壓的風力、水力發電系統。近年來,國內外學者對BDFM進行了廣泛的研究,建立了比較準確實用的數學模型,提出了針對BDFM的多種控制策略。

   直接轉矩控制(以下簡稱DTC)是借助三相定子電壓和電流來計算磁鏈和轉矩,與給定值進行比較,再通過兩點式或多點式調節控制以實現高性能的調速控制,它摒棄了原矢量控制技術中過于繁雜的解耦思想,使系統較矢量控制簡潔明了,引起國內外學者廣泛的研究興趣,ABB公司已把該項技術成功應用于ACS600這一標準型逆變器產品中,體現出優良的電氣性能。文獻[4]將DTC引入了BD-FM調速系統,在轉子dq坐標系下將控制繞組電壓表示成電機參數、輸入量以及反饋量的函數,然后預估轉矩及磁鏈的變化,最后得到控制繞組的給定電壓,但該方法計算量較大,難以實現。本文采用DTC的控制思想,構建了BDFM的數學模型,提出一種磁鏈和轉矩的計算方法,該方法在不同的參考坐標系下實現了對定子磁鏈和轉矩的計算,簡化了磁鏈、轉矩觀測器的數學模型,最后進行了DTC系統的仿真研究。結果表明該系統具有結構簡單,目標明確,計算量小,控制準確,實時性好,亞同步電動狀態和超同步電動狀態均可適用的特點。

2 BDFM的工作原理及數學模型

   無刷雙饋電機是基于“磁場調制”的運行原理,即在定子的兩套繞組中分別流過不同頻率的三相對稱電流時,就會在氣隙中產生兩種不同極數、不同轉速的旋轉磁場,它們同時交鏈轉子,經轉子對任一個定子旋轉磁場進行調制后,可在另一定子繞組中感應出與本身旋轉磁場具有相同頻率的速度電動勢,從而實現機電能量轉換。

 BDFM的轉速表達式為:  (1)

式中:n為電機轉速fpfc分別為功率繞組和控制繞組的頻率;Pp、Pc分別為功率繞組和控制繞組的極對數。

  (2)

BDFM在轉子由坐標系下建立的電壓方程為:式中:Rp、Lsp、Mp為功率繞組的電阻、自感和與轉子的互感;Rc、Lsc、Mc為控制繞組的電阻、自感和與轉子的互感;Rr、Lr、ωr為轉子電阻、自感和電機的機械角速度;uqpudp、uqc、udc、uqr、udr、uqp、iq、idp、iqcid、idr均表示電壓電流的瞬態值。下標p為功率繞組;c為控制繞組;s為定子側;r為轉子側;q、d為軸分量;p為微分算子。  

電磁轉矩方程:  (3)

式中:T為總電磁轉矩;Ψdp、Ψqp、Ψdc、Ψqc分別為功率繞組和控制繞組的d、q軸磁鏈分量。

 機械運動方程:  (4)

式中:T1為負載轉矩;Kd為轉動阻尼系數;J為轉子機械慣量。

   由式(2)~(4)構成BI)FM的數學模型。其在MATLAB/SIMULINK下的仿真模型如圖1所示,圖中僅給出了式(2)中第一個等式的結構圖。該仿真模型結構簡單,計算量小。

   圖l無刷雙饋電機的仿真模塊圖(局部)

3 BDFM直接轉矩控制系統的構成    

   圖2為無刷雙饋電機直接轉矩控制系統的結構框圖。該系統采用轉速、轉矩雙閉環控制方案。速度調節器采用PI調節器,其輸出作為轉矩給定Tgo功率繞組和控制繞組的相電流及控制繞組相電壓經“三相一二相變換(又稱3/2變換)為α、β分量后作為磁鏈、轉矩觀測器的輸入。磁鏈、轉矩觀測器的輸出Ψsc和Tfd分別進入磁鏈滯環和轉矩滯環,與磁鏈給定Ψg和轉矩給定T進行比較,實現對磁鏈和轉矩的兩點式和多點式(Bang—Bang控制)調節。磁鏈位置角是定子磁鏈與α坐標軸之間的夾角,即θs=arcsin(Ψβc/Ψsc)。Ψβc與Ψsc可由磁鏈、轉矩觀測器得到。我們把整個磁鏈圓平均分成12份。最終由磁鏈誤差△Ψ、轉矩誤差△T和磁鏈位置角θs決定開關狀態,產生脈沖序列作用于變頻器,實現對BDFM的直接轉矩控制。

    圖2無刷雙饋電機直接轉矩控制系統

3.1磁鏈、轉矩觀測器

圖2中磁鏈、轉矩觀測器的實現方法如圖3所示,其中2s/2r模塊為2s/2s變換的封裝,其中控制繞組的磁鏈經“兩相一兩相旋轉變換”(又稱2s/2r變換)的方程為:  (5)

式中:θr為轉子位置角,電壓和電流的旋轉變換陣也與磁鏈的變換陣相同。

定子控制繞組的磁鏈Ψsc先由α軸坐標系下的U一I模型得到ΨαcΨβc再根據式(6)合成為Ψsc。  (6)

式中:Ψac、Ψbc、uαc、uβc、iαc、iβc分別表示控制繞組磁鏈、電壓、電流的瞬態值,下標α、β為軸分量。

電磁轉矩Te的計算方法如下:由于式(3)是建立在轉子d坐標系上,欲計算Te就必須把該公式中所需物理量作2s/2r變換,坐標變換所需的θr角由轉速nfd經積分后得到,在得出磁鏈Ψdc、qc之后,Ψqc之后,再根據轉子電流估算方程計算出轉子電流idiq最后利用式(3)計算出轉矩Te。該模塊在不同的參考坐標系下完成對定子磁鏈和轉矩的估算,結構簡單,運算量小。

 圖3磁鏈、轉矩觀測器仿真模塊圖

3.2磁鏈滯環、轉矩滯環

△Ψ是定子磁鏈給定Ψg與定子磁鏈觀測值Ψsc。之差。由于磁鏈易于達到穩定,且波動范圍小,所以磁鏈、轉矩觀測器采用單滯環結構。

△T是給定轉矩T與電磁轉矩觀測值T之差。為了滿足轉矩的快速響應,轉矩調節器采用雙滯環結構。

3.3開關狀態表的建立

   開關狀態表與感應電動機DTC相同,不再贅述,具體參見文獻[11]。

4 BDFM的直接轉矩控制的仿真

4.1仿真系統的主要參數

   在SIMULINK環境下,系統中各個模塊按前面介紹的方法構成。使用的電機功率繞組功率為1.5kw,控制繞組功率為O.55 kw,繞組接法為3Y一3Y,極數為6/2,6極為功率繞組,2極為控制繞組,其電機參數為Rp=O.81 Ω;Lsp=80 mH;Mp=0.89mH;Rc=0.81 Ω;Lsc=630 mH;Mc=4.3 mH;Rr=1.57 mΩ;Lr=0.04 mH,Kd=0,J=0.02 kg·㎡。

   磁鏈調節器滯環為(一O.01~O.01 wb);轉矩調節器內環為(一O.5一O.5 N·m),外環為(一2~2N·m)。

4.2仿真結果

   圖4、5、6分別給出了采用DTC控制方法時,上述電機的調速性能和在不同運行狀態下抗負載擾動性能。圖4給出了BI)FM從亞同步到超同步時轉速轉矩響應曲線,負載轉矩恒為8 N·m,電機初始給定轉速為600 r/min,電機起動后,經0.1 8 s達到穩態,1 s時給定轉速躍變至900 r/min,經O.26 s后達到新的穩態。圖5給出了在亞同步下轉矩突變后的轉速轉矩響應曲線,電機轉速恒為600 r/min,負載轉矩初始給定為8 N·m,1 s時突加負載轉矩至16N·m,經O.15 s后又重新達到穩態,過渡過程中轉速最低下降至596 r/min。圖6給出了在超同步下轉矩突變后的轉速轉矩響應曲線,電機轉速恒為840 r/min,負載轉矩初始給定為4 N·m,1 s時突加負載轉矩至8 N·m,經0.2s后又重新達到穩態,轉速最低下降至837 r/min。從圖中可看出,轉速轉矩響應速度快。

 圖4  BDFM從亞同步到超同步的轉速和轉矩響應

    (a)                  (b)

 圖5  BDFM在亞同步下轉矩突變時轉速轉矩響應

      (a)                   (b)

 圖6  BDFM在超同步下轉矩突變時轉速轉矩響應

      (a)                     (b)

5 結  語

     本文采用轉子dq坐標系數學模型,利用本文提出的磁鏈和轉矩計算方法,實現了適合BDFM的直接轉矩控制策略。仿真結果表明,對BDFM實行直接轉矩控制是一種較好的控制方法,它結構簡單、目標明確、計算量小、控制準確、實時性好、亞同步和超同步電動工況均適用。在實驗樣機上實現將是我們下一步工作的重點。

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