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感应电机直接转矩控制系统研究

2022-07-15 来源:布克知识网
系统解决方案 感应电机直接转矩控制系统研究 付会凯。李中琴 (新乡学院机电工程学院,河南新乡453003) 摘要:针对感应电机直接转矩控制中低速运行时存在的转矩脉动过大、定子磁链畸变、定子电流畸变等问题,提 出新的控制方案。该方案融入模糊控制技术,把传统方案中的PI速度调节器替换为模糊PI控制器,替换磁链和滞环 调节器为预期电压矢量,克服传统系统的滞后现象。仿真结果表明,提出新的控制方案能够有效地改善感应电机的低 速性能.具有良好的动态性能且转矩脉动小.克服了由磁链和转矩滞环调节器带来的缺陷 关键词:感应电机;直接转矩控制;模糊控制:预期电压矢量控制 中图分类号:TP273 文献标识码:A 0引言 直接转矩控制fDTC)是继矢量控制技术之后的一 种新型的高性能交流调速技术 其控制原理是在准 确观察定子磁链的空间位置及大小.并保持定子磁链 恒定振幅和准确地计算其负载转矩的条件下.通过电 动机瞬时输入电压.控制电动机的定子磁通的瞬时旋 转速度.改变转子的瞬时转差率.实现直接控制电动 机输出。由于其控制思想新颖,系统结构简单,动、静 图1新的控制方案原理 态特性优良以及以及对电机参数的鲁棒性强.受到了 普遍的关注.并得到了迅速的发展 。但是在控制过 程中使用的磁链和转矩滞环比较器需要一定的滞环 宽度.这必然会造成一定的转矩和磁链脉动.使其低速 图2所示.e为应用模糊PT调节器的直接转矩控制系 统的偏差.ec为应用模糊PI调节器的直接转矩控制 系统的偏差变化率 e和ec是模糊PI控制器的两个 性能不太理想.具有转矩脉动比较大等缺点 针对以 上问题.提出一种基于模糊控制和预期电压矢量控制 技术的新型控制方案.进一步提高系统的控制性能。 输入。比例校正因子△ 和积分校正因子△K 是模糊 PI控制器的两个输出,△ 和△ 两个校正因子实时 调整模糊PI控制器的参数 模糊PI控制器与传统系 统中的功能是一样的.速度调节器的转速偏差输出设 置为一个电磁转矩给定信号.输入给直接转矩控制系 统.实现对感应电机的速度控制。 1新的控制方案 新的控制方案控制原理如图1所示 速度调节器 的输出为一个电磁转矩给定信号.用模糊PI速度调 节器取代通常的PI调节器.合理设置转矩控制的内 环.以抑制磁链变动给转速子系统带来的影响,提高 系统对电机参数变化的适应性 用预期电压矢量控制 技术取代传统的磁链和滞环调节器.改善系统低速性 能,减小转矩脉动。 图2基于模糊PI调节器的控制系统原理 模糊控制器的输入变量为: 速度偏差e )=n )一n ); 2模糊PI调节器 应用模糊PI调节器的直接转矩控制系统原理如 速度偏差变化率ec(k)=(1e(k)l—le(k一1)l/T。 作者简介:付会凯(1980-),副教授,硕士,研究方向为机 电一体化信息处理及控制技术。 收稿日期:2015-04.20 比例系数 可以提高感应电机直接转矩控制系 统动作灵敏度,促使系统的响应加快。 设置越大,系 统的响应就会越来越快.不过系统容易出现最大偏 5 1 、^n^n^,.chinacaaa.COrn 自动化应用 差; 设置越小,系统的响应就会变慢,系统调节时间 就会变长 积分系数 可以使得稳态误差变小。 设置越 大,能较快的消除静态误差,不过 变化太大,将导致 积分饱和; 设置越小,系统的稳定性就会变差。 比例系数 和积分系数 的调整原理为: (1)出现大的输入偏置时,为了促使系统响应变 快,应将比例系数 设置偏大一些,为了避免系统出 现最大偏差.可以将积分系数 设置偏小些。 (2)出现适中的输入偏置时,为了增加系统的稳 定性,减小超调,应将比例系数 设置的偏小些,为 保证系统的响应速度.适当地设置积分系数K 。 (3)出现小的输入偏置时,为保持系统的稳态性, 适当地设置比例系数 和较的大积分系数Kl。 根据上述调整原理, 、△ 的取值区间为[1, 5]、[O,2],KP和K 的实际输出为: 【Kp=l+4fi,KP I Kr=2zkKr 3预期电压矢量控制 预期电压矢量控制是一种实时调制技术.为了方 便研究.把电压空间矢量等分成6个互成60 ̄的扇区. 如图3所示。在一个采用周期内,该矢量所在扇区Js 的工作电压矢量 、UK+ (K=I,2,3,4,5,6,当K=6时,K+ 1=1)与零电压矢量 、 合成期望参考电压空间矢 量: 1 s}+ 1  1 式中, 为采样周期; 、 + 分别为电压矢量的 、 的作用时间。 图3扇区划分和合成的参考电压空间矢量图 4仿真比较研究 图4、图5分别为传统控制、基于模糊控制和预期 电压矢量控制技术的新型控制方案的定子磁链轨迹 图.可以看出两者控制都达到了一个完整的磁链圆. 磁链半径都为设定值1VC-b,不过.传统控制下的磁链 系统解决方案 圆轨迹边缘比较粗,控制的精度不高,脉动比较大;而 新型控制方案下的磁链圆轨迹比较细,脉动很小,从 而说明在新型控制理论下.磁链的控制精度也得到了 很好的改善。 图4传统控制下的磁链波形 图5新型控制方案下的磁链波形 传统控制、新型控制方案下的电流波形分别如图 6、图7所示,可以看出,传统控制转矩脉动较大.在1s 时刻,转矩给定从30 Nm增加到60 Nm时,转矩脉 动最大值达到150 Nm.而改进的DTC转矩脉动非常 小。转矩变换过程稳定。分析比较可知.新型控制方案 下的直接转矩控制磁链和转矩响应都优于传统的直 接转矩控制系统 图6传统控制下的电流波形 图7新型控制方案下的电流波形 自动化应用 2015 i 9期 52 系统解决方案 黪 图8和图9分别为传统控制和新型控制方案的 转矩响应曲线.转速设定均为1200r/arin.当系统起动 时电动机为空载.在0.1s时给电动机突加负载为 5结语 将模糊控制和预期电压矢量控制技术应用于直 接转矩控制系统中.建立模糊PI控制器代替传统的 滞环比较器 仿真结果表明.提出新的控制方案能够有效地改 3Nm。在0.15s时给电动机外加的负载跳变为1Nm。 为比较两种系统的鲁棒性.新型控制方案中采用增加 100%定子电阻值。两种系统的转矩都在0.005s时达 到了输出转矩上限5Nm.然而.传统控制的转矩在之 后的运行过程中出现较大波动:新型控制方案中转矩 善感应电机的低速性能。减小转矩脉动,并且具有很 好的动态响应性能.克服了由磁链和转矩滞环调节器 值没有受到电机参数变动的影响.整个运行过程转矩 脉动都非常小 带来的缺陷。 参考文献 [1]潘月斗,张义海.基于模糊控制的直接转矩控制系统的 仿真分析[J】.系统仿真学报,2010,22(10):2347-2351 [2】张广远,刘文生,王旭阳.基于模糊神经网络的直接转 矩控制系统研究[J].电气传动,2012,42(06):27—31 【3】艾永乐,KamperMan'ten J,王玉梅.六相交流感应电机 新颖控制策略研究[M].北京:中国电力出版社,2009: 图8传统控制下的转矩波形 20—30 [4]谢辉,刘和平.步进电机SPWM细分驱动输出电压的 谐波分析[J].仪表技术与传感器,2012,(09):90—92 [5]付会凯,牛联波,艾永乐.感应电机电磁转矩性能分析 与研究【J].制造业自动化,2013,(03):71—73,78 【6]付会凯,牛联波,艾永乐.六相感应电机转子感应电压 有限元分析与研究[J】.制造业自动化,2012,(01): 图9新型控制方案下的转矩波形 128.130 (上接第50页) 4结语 设计的电动执行机构无线遥控控制系统采用成 熟的ZigBee无线通信模块,大大增加了控制的可靠性 并缩短了设计周期.同时利用MCU自带的UART资 源作为无线传输数据的接收、发送媒介,方便且稳定 地实现了电动执行机构的远程自动控制和双向数据 传输。整个系统成本低,工作可靠性高,具有较好的工 程应用前景 参考文献 [1]周武斌.Zigbee无线组网技术的研究[D].长沙:中南大 学.2009 [2]胡伟,季晓衡.单片机c程序设计及应用实例[M】.北 京:人民邮电出版社,2003 [3】张翼,等.Visual Basic6.0程序设计教程[M].北京:北京 师范大学出版社.2007 [4]郭天祥.新概念51单片机C语言教程一入门、提高、 图5中断服务程序流程 53 \^n^nⅣ_chinacaaa.co.m 自动化应用 开发、拓展[M】.北京:电子工业出版社,2009 

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