一種基于磁場定向控制的電機交流調速系統設計

胥 良, 張 叢, 張 寧

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022)

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一種基于磁場定向控制的電機交流調速系統設計

胥 良, 張 叢, 張 寧

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022)

為研究交流電機在高性能電驅動系統中的應用,介紹一種利用磁場定向控制,外加比例積分器來控制三相交流調速系統的簡化方法,并建立仿真模型。仿真試驗表明,該模型的階躍響應非常快,穩定性高,能工作在四個象限中,實現了系統的魯棒性和高性能,同時也驗證了該設計方法的可行性。

磁場定向控制;交流調速;PI調節器

一般情況下,感應電機的運行速度是由主電壓的頻率和電動機磁極的數量來決定的[1]。控制感應電機的速度要比控制直流電機難很多,因為感應電機的電流和所產生的轉矩之間的關系是非線性的。所以,相對于直流電動機而言,異步電動機的無刷結構會使它們在沒有維護的情況下使用很長一段時間[2]。磁場定向控制技術可以在很寬的范圍內改變感應電機的速度[3]。在磁場定向控制技術中,一個復雜的電流分解成兩個正交的分量,一個分量用來產生電機中的磁通量,另一個分量控制電機中電磁轉矩的產生。

磁場定向控制最初是為那些需要在整個速度范圍內平穩運行,從零轉矩開始到產生完整轉矩,并具有較快加速和減速的高動態性能和高性能電機的應用而設計的[4]。所以為了研究交流電機在高性能電驅動系統中的應用,本文提出一種新的控制算法,并通過建立仿真模型及仿真試驗,驗證了該方法的可行性。

1 算法的基本思想

主要基于兩個基本思路,一個是磁通和產生電流的轉矩,另一個就是參考坐標系的轉換[5]。在控制過程中,施加到電機上的是兩個正交電流而不是常用的三相電流。這兩個電流分別是直軸電流(id)和交軸電流(iq),分別負責在電機中產生磁通和轉矩。其中,iq的電流和定子磁通是同相的,和id成直角。當然,施加到電機的實際電壓和所產生的電流是常用的三相電。坐標系是由靜止參考坐標系和定子磁通同步旋轉的參考坐標系之間的轉換[6]。把在一個參考坐標系中的正弦量轉換成另一個以相同頻率旋轉的參考坐標系中的恒定值。通過坐標系的轉換與選擇后,一旦正弦量變換成一個恒定值,就能夠用傳統的比例積分控制器來對這個系統進行控制[7]。

2 磁場的矢量控制

感應電機的矢量控制頻率是完全定向的,現在要對轉子磁通在d軸下進行直接控制。通過一個單位矢量的變換命令來對旋轉軌跡進行跟蹤,它有一個旋轉的d-q軸和靜止的d-q軸,在PI控制器下的公式為

實際情況下三相電流分別為

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

ic=idssin (120)+iqscos (120)

三相abc坐標軸與d-q坐標軸的關系如圖1所示,轉子磁鏈和轉矩之間的解耦關系如圖2所示。

圖1 abc坐標軸與d-q坐標軸之間關系

圖2 轉子磁鏈和轉矩之間解耦關系

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

轉子磁通為

ψr=Lm·ids/(1+Tr)

旋轉坐標系轉子磁通的相位角為

θ=θr+θm=∫(ωr+ωm)dt

3 磁場定向控制系統

通過對逆變輸出的三相電流和電機的轉速進行檢測,利用本文提出的控制方法對其進行控制,使整個運行過程形成一個閉環控制系統,以此實現對電機速度的控制。控制系統如圖3所示。

圖3 磁場定向控制系統圖

Fig.3 Magnetic field oriented control system diagram

在控制過程中,采用了可以調節滯環寬度的電流調節器,滯后調制是一種能夠反饋電流的控制方法。電機的電流在滯環內作為跟蹤的參考電流,實際測得的電機線電流與正弦基準電流作比較得到所需頻率和幅度。如果電流超過電流滯帶的上限,逆變器上橋臂關斷,下橋臂打開,使電流開始減小,反之使電流增大。

使用這種控制策略的計算公式為

T=Kpe+Ki∫edt

它可以時刻更新PI調節器的輸出增益,既使存在非線性關系也能保持良好的控制性能[8]。在正常運行過程中,命令轉矩變化的值會被放大,如果控制器的增益超過了一定值,命令轉矩變化的值會變的太高,這樣會使系統處于不穩定狀態。為了克服這個問題,在前面添加了一個限制器,用其產生的速度誤差來限制。經過適當的選擇后,即使控制器增益變高,命令轉矩也會平滑地變化。當電機速度達到基準值并無過調后,跟蹤穩態誤差變為零,這就意味著磁場定向控制方法能使電機速度達到所需速度要求。

圖4 磁場定向控制模型建立

4 模型的建立與仿真

通過上述研究建立了仿真模型,其中包含了設計的比例積分磁場定向控制器,如圖4所示,比例增益為166.2,積分增益為27 700。

經過仿真之后的圖形如圖5、圖6所示。

圖5 速度正轉時轉矩變化

圖6 速度正反轉時轉矩變化

Fig.6 Torque change at motor corotation and reverse

當初始速度為100 rad/s時,系統進行控制與調節,轉矩開始迅速變化并時刻進行調節,使轉矩在很短時間就處于穩定狀態。當所要求速度提升時,如圖5中在0.5 s時速度升至150 rad/s,系統隨時跟蹤調節,轉矩在短時間內進行調節后重新回到穩定狀態。而當需要電機反轉時,轉矩也能時刻進行調節并保持穩定。如圖6所示,在0.5 s時速度變為-100 rad/s,系統進行跟蹤控制,轉矩同樣在短時間內調節后重新回到穩定狀態。整個系統在磁場定向控制下不管電機正轉還是反轉,系統能時刻進行跟蹤并及時進行調整,使控制系統時刻處于穩定狀態。

5 結 語

本文提出的基于磁場定向控制的PI調節器對電機速度的調節有較快的響應,相比其他的一些控制方法響應更快,更準確,控制效果更好。經過模型的建立與仿真試驗,其結果表明:本文提出的這種方法能夠很好地對電機速度進行調節,并且使系統時刻保持穩定性,實現了系統的魯棒性與高穩定性,證明了所提出的方法可行。

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(責任編輯 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，研究方向為煤礦安全檢測與控制。

TP273

A

2095-6843(2016)01-0070-03