胥 良, 張 叢, 張 寧

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

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一種基于磁場(chǎng)定向控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胥 良, 張 叢, 張 寧

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

為研究交流電機(jī)在高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用,介紹一種利用磁場(chǎng)定向控制,外加比例積分器來(lái)控制三相交流調(diào)速系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方法,并建立仿真模型。仿真試驗(yàn)表明,該模型的階躍響應(yīng)非?？?穩(wěn)定性高,能工作在四個(gè)象限中,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的魯棒性和高性能,同時(shí)也驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性。

磁場(chǎng)定向控制;交流調(diào)速;PI調(diào)節(jié)器

一般情況下,感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行速度是由主電壓的頻率和電動(dòng)機(jī)磁極的數(shù)量來(lái)決定的[1]。控制感應(yīng)電機(jī)的速度要比控制直流電機(jī)難很多,因?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)的電流和所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系是非線(xiàn)性的。所以,相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)而言,異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)刷結(jié)構(gòu)會(huì)使它們?cè)跊](méi)有維護(hù)的情況下使用很長(zhǎng)一段時(shí)間[2]。磁場(chǎng)定向控制技術(shù)可以在很寬的范圍內(nèi)改變感應(yīng)電機(jī)的速度[3]。在磁場(chǎng)定向控制技術(shù)中,一個(gè)復(fù)雜的電流分解成兩個(gè)正交的分量,一個(gè)分量用來(lái)產(chǎn)生電機(jī)中的磁通量,另一個(gè)分量控制電機(jī)中電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。

磁場(chǎng)定向控制最初是為那些需要在整個(gè)速度范圍內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行,從零轉(zhuǎn)矩開(kāi)始到產(chǎn)生完整轉(zhuǎn)矩,并具有較快加速和減速的高動(dòng)態(tài)性能和高性能電機(jī)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的[4]。所以為了研究交流電機(jī)在高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用,本文提出一種新的控制算法,并通過(guò)建立仿真模型及仿真試驗(yàn),驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 算法的基本思想

主要基于兩個(gè)基本思路,一個(gè)是磁通和產(chǎn)生電流的轉(zhuǎn)矩,另一個(gè)就是參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[5]。在控制過(guò)程中,施加到電機(jī)上的是兩個(gè)正交電流而不是常用的三相電流。這兩個(gè)電流分別是直軸電流(id)和交軸電流(iq),分別負(fù)責(zé)在電機(jī)中產(chǎn)生磁通和轉(zhuǎn)矩。其中,iq的電流和定子磁通是同相的,和id成直角。當(dāng)然,施加到電機(jī)的實(shí)際電壓和所產(chǎn)生的電流是常用的三相電。坐標(biāo)系是由靜止參考坐標(biāo)系和定子磁通同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換[6]。把在一個(gè)參考坐標(biāo)系中的正弦量轉(zhuǎn)換成另一個(gè)以相同頻率旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系中的恒定值。通過(guò)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換與選擇后,一旦正弦量變換成一個(gè)恒定值,就能夠用傳統(tǒng)的比例積分控制器來(lái)對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制[7]。

2 磁場(chǎng)的矢量控制

感應(yīng)電機(jī)的矢量控制頻率是完全定向的,現(xiàn)在要對(duì)轉(zhuǎn)子磁通在d軸下進(jìn)行直接控制。通過(guò)一個(gè)單位矢量的變換命令來(lái)對(duì)旋轉(zhuǎn)軌跡進(jìn)行跟蹤,它有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的d-q軸和靜止的d-q軸,在PI控制器下的公式為

實(shí)際情況下三相電流分別為

ib=idssin (-120)+iqscos (-120)

ic=idssin (120)+iqscos (120)

三相abc坐標(biāo)軸與d-q坐標(biāo)軸的關(guān)系如圖1所示,轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩之間的解耦關(guān)系如圖2所示。

圖1 abc坐標(biāo)軸與d-q坐標(biāo)軸之間關(guān)系

圖2 轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩之間解耦關(guān)系

Fig.1 Relationship between abc axis and d-q axisx

轉(zhuǎn)子磁通為

ψr=Lm·ids/(1+Tr)

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子磁通的相位角為

θ=θr+θm=∫(ωr+ωm)dt

3 磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)逆變輸出的三相電流和電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè),利用本文提出的控制方法對(duì)其進(jìn)行控制,使整個(gè)運(yùn)行過(guò)程形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制?？刂葡到y(tǒng)如圖3所示。

圖3 磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)圖

Fig.3 Magnetic field oriented control system diagram

在控制過(guò)程中,采用了可以調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度的電流調(diào)節(jié)器,滯后調(diào)制是一種能夠反饋電流的控制方法。電機(jī)的電流在滯環(huán)內(nèi)作為跟蹤的參考電流,實(shí)際測(cè)得的電機(jī)線(xiàn)電流與正弦基準(zhǔn)電流作比較得到所需頻率和幅度。如果電流超過(guò)電流滯帶的上限,逆變器上橋臂關(guān)斷,下橋臂打開(kāi),使電流開(kāi)始減小,反之使電流增大。

使用這種控制策略的計(jì)算公式為

T=Kpe+Ki∫edt

它可以時(shí)刻更新PI調(diào)節(jié)器的輸出增益,既使存在非線(xiàn)性關(guān)系也能保持良好的控制性能[8]。在正常運(yùn)行過(guò)程中,命令轉(zhuǎn)矩變化的值會(huì)被放大,如果控制器的增益超過(guò)了一定值,命令轉(zhuǎn)矩變化的值會(huì)變的太高,這樣會(huì)使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了克服這個(gè)問(wèn)題,在前面添加了一個(gè)限制器,用其產(chǎn)生的速度誤差來(lái)限制。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇后,即使控制器增益變高,命令轉(zhuǎn)矩也會(huì)平滑地變化。當(dāng)電機(jī)速度達(dá)到基準(zhǔn)值并無(wú)過(guò)調(diào)后,跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差變?yōu)榱?這就意味著磁場(chǎng)定向控制方法能使電機(jī)速度達(dá)到所需速度要求。

圖4 磁場(chǎng)定向控制模型建立

4 模型的建立與仿真

通過(guò)上述研究建立了仿真模型,其中包含了設(shè)計(jì)的比例積分磁場(chǎng)定向控制器,如圖4所示,比例增益為166.2,積分增益為27 700。

經(jīng)過(guò)仿真之后的圖形如圖5、圖6所示。

圖5 速度正轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩變化

圖6 速度正反轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩變化

Fig.6 Torque change at motor corotation and reverse

當(dāng)初始速度為100 rad/s時(shí),系統(tǒng)進(jìn)行控制與調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)矩開(kāi)始迅速變化并時(shí)刻進(jìn)行調(diào)節(jié),使轉(zhuǎn)矩在很短時(shí)間就處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)所要求速度提升時(shí),如圖5中在0.5 s時(shí)速度升至150 rad/s,系統(tǒng)隨時(shí)跟蹤調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)矩在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)后重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。而當(dāng)需要電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)矩也能時(shí)刻進(jìn)行調(diào)節(jié)并保持穩(wěn)定。如圖6所示,在0.5 s時(shí)速度變?yōu)?100 rad/s,系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤控制,轉(zhuǎn)矩同樣在短時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)后重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)在磁場(chǎng)定向控制下不管電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),系統(tǒng)能時(shí)刻進(jìn)行跟蹤并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整,使控制系統(tǒng)時(shí)刻處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的基于磁場(chǎng)定向控制的PI調(diào)節(jié)器對(duì)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)有較快的響應(yīng),相比其他的一些控制方法響應(yīng)更快,更準(zhǔn)確,控制效果更好。經(jīng)過(guò)模型的建立與仿真試驗(yàn),其結(jié)果表明:本文提出的這種方法能夠很好地對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié),并且使系統(tǒng)時(shí)刻保持穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的魯棒性與高穩(wěn)定性,證明了所提出的方法可行。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Design of AC speed regulation system for motor based on field-oriented control

XU Liang, ZHANG Cong, ZHANG Ning

(School of Electrical & Control Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China)

In order to study the application of AC motor in high performance electric drive system, this paper introduced the simplified method, a method which used field-oriented control with a proportional-integral controller to control the three-phase AC speed regulation system, and established the simulation model. The simulation result shows that the model, with fast step response and high stability, can realize robust and high performance in four quadrants. The feasibility of the design process is proved as well.

field-oriented control; AC speed regulation; PI regulator

2015-07-20。

胥 良(1966—)，男，教授，研究方向?yàn)槊旱V安全檢測(cè)與控制。

TP273

A

2095-6843(2016)01-0070-03