基于復(fù)合控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

孫鐵成，鞠雪強(qiáng)，王 鈺，娜仁圖亞

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程系，黑龍江 哈爾濱 150001）

矢量控制技術(shù)，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的坐標(biāo)變換，可以將電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁鏈控制解耦，達(dá)到與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美的調(diào)速性能［1－2］。但是矢量控制計(jì)算復(fù)雜，調(diào)速性能還受到轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，而且對(duì)外界抗干擾能力比較弱。直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque control，DTC）這一高性能控制策略便由此發(fā)展起來(lái)，并被推廣到弱磁調(diào)速［3］。該控制方法通過(guò)Bang－Bang控制，不依賴電機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化，不需要復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的魯棒性［4－7］，且運(yùn)行性能不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響［8］。但是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)還存在以下問(wèn)題［9－11］：直接轉(zhuǎn)矩控制在采用 Bang－Bang控制時(shí)，會(huì)使得轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的脈動(dòng)；滯環(huán)的存在，使得系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率不能固定；低速運(yùn)行時(shí)，定子電阻的壓降不可忽略，定子電阻的變化會(huì)對(duì)此聯(lián)模型的估算精度產(chǎn)生較大影響。針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，文獻(xiàn)［12－13］提出了多種解決方案，使得DTC方法的調(diào)速性能有了較大的改善。

本文從DTC技術(shù)存在的問(wèn)題出發(fā)，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種基于SVM－DTC的控制策略，并設(shè)計(jì)了一個(gè)交流調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面向?qū)W生設(shè)計(jì)，硬件電路主要由交－直－交變頻主電路構(gòu)成，其中逆變電路部分采用智能功率模塊IPM，軟件主要靠VC＋＋6.0對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制策略進(jìn)行編程，并生成一個(gè)人機(jī)交互界面，軟硬件之間通過(guò)基于PCI總線的DSP運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)時(shí)性和開(kāi)放性控制。

1 SVM－DTC控制建模與原理

1.1 感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

1.1.1 定子磁鏈模型

定子磁鏈模型的建立主要靠磁鏈觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)。本文采用魯棒性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的u－i模型對(duì)定子磁鏈Ψ進(jìn)行觀測(cè)，得到如下數(shù)學(xué)方程：

式中θ為磁鏈位置角。

將（1）式的方程進(jìn)行組合，可得到定子磁鏈的u－i模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 定子磁鏈的u－i模型結(jié)構(gòu)圖

1.1.2 電磁轉(zhuǎn)矩模型

轉(zhuǎn)矩的觀測(cè)是在定子磁鏈觀測(cè)的基礎(chǔ)上獲得的。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，電磁轉(zhuǎn)矩Te方程為

同樣，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換之后可以得到轉(zhuǎn)矩模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中np為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

圖2 電磁轉(zhuǎn)矩觀測(cè)模型結(jié)構(gòu)圖

1.2 SVM－DTC的原理

如圖3所示：霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由此估算出定子磁鏈、磁鏈位置角和電磁轉(zhuǎn)矩的大小。經(jīng)過(guò)磁鏈PI調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)的閉環(huán)調(diào)節(jié)，得到參考電壓矢量在定子磁鏈x－y坐標(biāo)系中的2個(gè)分量Ux和Uy，經(jīng)過(guò)Park逆變換，將Ux和Uy轉(zhuǎn)化為兩相靜止坐標(biāo)系中的電壓分量，將兩電壓分量和磁鏈位置角進(jìn)行矢量合成便可以得到目標(biāo)參考電壓矢量，并判斷此時(shí)目標(biāo)參考電壓矢量所在的扇區(qū)，計(jì)算出各扇區(qū)相應(yīng)矢量的作用時(shí)間，由此產(chǎn)生PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變頻調(diào)速。

圖3 SVM－DTC變頻調(diào)速原理

2 SVM－DTC控制策略的實(shí)現(xiàn)

2.1 目標(biāo)矢量所在扇區(qū)的判斷

設(shè)目標(biāo)電壓矢量Uref在兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓分量為Uα、Uβ，設(shè)A0、A2、A4滿足下式：

將公式（5）中求得的 A0、A2、A4的值代入下式計(jì)算P（中間變量）值，然后根據(jù)計(jì)算得到的P值查表1獲得目標(biāo)電壓矢量所在扇區(qū)號(hào)。

表1 各P值對(duì)應(yīng)的扇區(qū)號(hào)

2.2 各扇區(qū)相應(yīng)矢量的作用時(shí)間確定

空間矢量調(diào)制（SVPWM）是根據(jù)目標(biāo)電壓矢量所在位置，選擇與其相鄰的基本電壓空間矢量，設(shè)定這兩個(gè)矢量的作用時(shí)間，然后計(jì)算并生成功率管的開(kāi)關(guān)信號(hào)，從而合成目標(biāo)電壓矢量。如圖4所示，當(dāng)目標(biāo)電壓矢量Uref位于基本電壓矢量所劃分出的第Ⅰ扇區(qū)時(shí)，選擇U4和U6分別作用T4和T6時(shí)間，以合成Uref。其中Ts為采樣周期。

圖4 目標(biāo)電壓矢量合成原理

設(shè)變頻主電路直流母線電壓為Udc，根據(jù)伏秒平衡原理，可以通過(guò)公式（7）計(jì)算電壓U4、U6和零電壓矢量的作用時(shí)間T4、T6、T0：

在α－β坐標(biāo)系下描述為

聯(lián)立公式（7）和（8），可以得出電壓U4和U6以及零矢量的作用時(shí)間分別為：

據(jù)此，可以很容易地計(jì)算得到各基本電壓矢量的作用時(shí)間，故可以利用DSP的時(shí)間寄存器數(shù)字化實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電壓矢量的SVPWM合成。

2.3 矢量切換點(diǎn)的計(jì)算

設(shè)Tcm1、Tcm2、Tcm3分別為與三角波比較生成PWM波形的3個(gè)比較值，即對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)刻。令Ta＝ （Ts－Tx－Ty）／2，Tb＝Ta＋Tx，Tc＝Tb＋Ty，則在不同扇區(qū)內(nèi)Tcm1、Tcm2、Tcm3值得大小可以根據(jù)表2進(jìn)行賦值。

表2 扇區(qū)矢量切換點(diǎn)Tcm1、Tcm2、Tcm3

3 硬件電路實(shí)現(xiàn)

3.1 交流調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該平臺(tái)的硬件電路如圖5所示，由二極管整流電路、智能功率模塊逆變電路、電流霍爾傳感器檢測(cè)電路、DSP運(yùn)動(dòng)控制卡、電壓檢測(cè)電路、光電編碼器轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路，以及過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路和PWM信號(hào)隔離電路等組成。

圖5 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

三相交流電經(jīng)過(guò)自主設(shè)計(jì)的整流電路后，經(jīng)過(guò)智能功率模塊IPM進(jìn)行逆變，實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)電機(jī)的變壓和變頻控制。電路中的霍爾傳感器、光電碼盤等采集的電流、轉(zhuǎn)速、電壓信號(hào)輸入DSP，經(jīng)過(guò)DSP的A／D轉(zhuǎn)換，由PCI總線傳送給PC進(jìn)行控制，從而產(chǎn)生IPM所需的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦隔離后，由施密特反相器進(jìn)行PWM信號(hào)的整形，輸入IPM進(jìn)行逆變。系統(tǒng)中的過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)電路可以在故障出現(xiàn)時(shí)關(guān)斷IPM。

3.2 基于PCI總線的DSP運(yùn)動(dòng)控制卡

基于PCI總線的DSP運(yùn)動(dòng)控制卡如圖6所示，上位機(jī)將控制命令和數(shù)據(jù)通過(guò)PCI發(fā)送到雙端口RAM，并發(fā)出中斷信號(hào)給DSP的中斷引腳XINT1，DSP響應(yīng)中斷，去讀取雙端口RAM中的信息以控制電機(jī)的運(yùn)行；同樣，DSP將采集到的電壓、電流等信號(hào)發(fā)送到雙端口RAM，并發(fā)出中斷信號(hào)給PCI的中斷引腳LINT1，由上位機(jī)讀取后進(jìn)行分析和處理，并將相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在控制界面上。

由于PCI輸出的高電平在＋2.8V和＋5V之間，而且雙端口RAM的數(shù)據(jù)信號(hào)電平為＋5V，而DSP能接受的最高電平為＋3.3V，為了保證DSP及其外圍器件工作的安全可靠，這就存在一個(gè)DSP與雙端口RAM之間的電平轉(zhuǎn)換關(guān)系問(wèn)題，因此需要加總線電平轉(zhuǎn)換電路。

圖6 基于PCI總線的運(yùn)動(dòng)控制卡結(jié)構(gòu)圖

4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

使用VC＋＋6.0進(jìn)行人機(jī)交互界面窗口的設(shè)計(jì)，并對(duì)電機(jī)控制算法進(jìn)行編程，本文控制策略的算法就是在此界面下進(jìn)行編輯的。

圖7所示人機(jī)交互界面，分為控制算法選擇、在線參數(shù)修改和波形顯示部分。用戶可以在此界面中選擇不同的電機(jī)控制算法，由不同的按鈕來(lái)控制電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，并將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集到的實(shí)時(shí)波形與設(shè)定值進(jìn)行比較輸出。該界面還可以對(duì)程序算法進(jìn)行在線修改，通過(guò)PCI總線與DSP進(jìn)行通信，具有較強(qiáng)的可讀性。考慮到面向?qū)W生實(shí)驗(yàn)，本軟件具有較強(qiáng)的安全性和可靠性。

圖7 人機(jī)交互軟件界面

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

根據(jù)SVM－DTC控制策略的原理，在圖5所示的硬件電路上進(jìn)行電機(jī)動(dòng)靜態(tài)性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室所用電機(jī)是三相鼠籠式異步電機(jī)，其參數(shù)如下：額定電壓UN＝220V，額定功率PN＝100W，額定電流IN＝0.48A，額定頻率fN＝50Hz，額定轉(zhuǎn)速nN＝1 500 r／min，極對(duì)數(shù)np＝2。

5.1 靜態(tài)性能測(cè)試

電機(jī)在穩(wěn)定負(fù)載條件下運(yùn)行時(shí)，其靜態(tài)測(cè)試結(jié)果如圖8—圖10所示：其中圖8顯示的三相電流采樣波形是以C相電流為基值，A、B兩相電流在C相電流基礎(chǔ)上都加了一定的數(shù)值，便于三相電流的分離顯示；圖9是電機(jī)在穩(wěn)定負(fù)載情況下的轉(zhuǎn)速變化曲線；圖10是電機(jī)的磁鏈圖。

圖8 三相電流波形

圖9 電機(jī)運(yùn)行速度曲線

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制策略下的變頻調(diào)速系統(tǒng)，三相電流為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，諧波含量少；轉(zhuǎn)速運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)波動(dòng)；磁鏈基本上接近圓，靜態(tài)性能較好。

5.2 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

本文針對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試主要包括：空載起動(dòng)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)調(diào)速實(shí)驗(yàn)。空載起動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)是在給定頻率為50Hz情況下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。動(dòng)態(tài)調(diào)速實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行頻率由50Hz降到40Hz過(guò)程中，轉(zhuǎn)速與電流波形變化如圖12和圖13所示。

圖10 電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中磁鏈圖

圖11 空載起動(dòng)時(shí)定子電流波形

圖12 電機(jī)減速的轉(zhuǎn)速波形

圖13 電機(jī)減速的電流波形

電機(jī)起動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：定子電流在0.2s時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。電機(jī)起動(dòng)后，電流響應(yīng)速度快，脈動(dòng)小，穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)性能好。

變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明；當(dāng)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中頻率從50Hz變化到40Hz進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)速時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速會(huì)快速地跟隨給定轉(zhuǎn)速變化，最后穩(wěn)定在1 200r／min，電流波形會(huì)跟隨轉(zhuǎn)速變化而稍有波動(dòng)。整個(gè)變頻調(diào)速過(guò)程，響應(yīng)迅速，跟隨性好，具有較好的動(dòng)態(tài)性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于SVM－DTC控制策略的變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究測(cè)試，有效地解決了矢量控制受參數(shù)影響，以及傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制存在的低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩和電流脈動(dòng)大、開(kāi)關(guān)頻率不固定、定子電阻變化和磁鏈估算影響控制精度等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)中分別進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能，靜態(tài)穩(wěn)定性能高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

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