摘要：分析了基于空間矢量調(diào)制(sVM)的異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制算法的原理，并加以改進，引入磁鏈觀測全速度模型，使磁鏈觀測更加準(zhǔn)確。通過Matlad/Simulink仿真研究，驗證了算法的有效性。在此基礎(chǔ)上實際應(yīng)用于基于Vxworks嵌入式系統(tǒng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)平臺，取得了良好的控制效果，證明此算法在工程中具有很好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：感應(yīng)電動機；直接轉(zhuǎn)矩控制；空間矢量調(diào)制；磁鏈全速度模型；嵌入式系統(tǒng)；實驗
O引 言
隨著交流調(diào)速系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。
交流調(diào)速控制理論得到了快速發(fā)展，越來越多的先進的控制方式應(yīng)用到交流調(diào)速中。直接轉(zhuǎn)矩控制(DTc)因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩能直接控制、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快速并對電機參數(shù)表現(xiàn)出強的魯棒性等，而得到了廣泛的關(guān)注。但常規(guī)DTc采用的是轉(zhuǎn)矩、磁鏈滯環(huán)比較器，以此按一定規(guī)則從預(yù)制的開關(guān)表中選取合適的電壓空間矢量對電機轉(zhuǎn)矩、磁鏈進行直接控制。文獻[2]分析表明此種選擇電壓矢量的方式無法同時滿足系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的雙重要求，會導(dǎo)致DTc系統(tǒng)出現(xiàn)較大的磁鏈、轉(zhuǎn)矩脈動。此外常規(guī)DTc系統(tǒng)開關(guān)頻率不恒定，功率器件的容量無法得到充分的利用，并且在大功率IGBT要求開關(guān)頻率比較低的情況下，容易使開關(guān)器件燒毀。
空間矢量(sVM)調(diào)制方式不僅可以提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能，同時也使逆變器的開關(guān)頻率變?yōu)榻坪愣�，因此被認為是改善DTc穩(wěn)態(tài)性能的一種很有前途的方法。IJascu。于2000年采用了兩個P1調(diào)節(jié)器實現(xiàn)電壓矢量計算的異步電機空間矢量調(diào)制(sVM—DTc)。目前對此算法的研究集中于通過MaⅡah模型驗證此算法的有效性和基于DsP平臺的簡單實現(xiàn)。文獻[4-5]通過Madab仿真驗證了此算法的優(yōu)異的控制效果，但并未給出PI調(diào)節(jié)參數(shù)，以及未考慮到實際系統(tǒng)中開關(guān)頻率的限制。文獻[2]、[6]給出了此算法基于DsP的簡單實現(xiàn)，但在工程應(yīng)用中專用DsP平臺受軟硬件條件的限制，在實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化和復(fù)雜算法時較為困難。
本文更深入地分析了sVM在DTc系統(tǒng)中的實現(xiàn)方法，在數(shù)學(xué)上分析了svM與DTC的簡單結(jié)合方式，特別是在磁鏈?zhǔn)噶康挠^測方法方面，用磁鏈的全速度模型代替較為常用的磁鏈電壓模型，以期在不增加系統(tǒng)硬件復(fù)雜性的條件下改善系統(tǒng) 的穩(wěn)態(tài)性能，并保持優(yōu)異的動態(tài)性能。同時采用對稱的sVM的調(diào)制方式，以確保功率器件的開關(guān)頻率恒定。通過仿真驗證了其可行性并取得了較好的效果。在此基礎(chǔ)上，進行實驗室條件下的基于Vxwworks嵌入式系統(tǒng)實驗平臺的開發(fā)，實際運行效果良好，體現(xiàn)了此算法在工程應(yīng)用中的價值。
l基于SVM—DTC的控制系統(tǒng)
1．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖
SVM DTc系統(tǒng)框圖如圖l所示。其中參考電壓矢量uref估計器和SVM單元替代了常規(guī)DTc中的磁鏈、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和開關(guān)表。在圖1中，檢測到的電機定子電壓電流信號經(jīng)全速度磁鏈模型計算得定子磁鏈值φs、電磁轉(zhuǎn)矩值Te和磁鏈位置角θ。所得定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩值與給定值之差經(jīng)PI調(diào)節(jié)輸出為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的參考電壓矢量Uduq再經(jīng)過Park變換，得到靜止坐標(biāo)系下的參考電壓矢量uref作為sVM單元的輸入，經(jīng)空問矢量脈寬調(diào)制得到開關(guān)控制PWM信號。
1. 2 SVM概念
采用sVM的目標(biāo)是利用逆變器固有的基本空間電壓矢量合成所需的參考電壓空間矢量。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制中，只有6個有效的電壓矢量u1～u6和兩個零矢量u0，u7。這8個矢量稱為基本空間矢量，它們把復(fù)平面分成6個扇區(qū)。svM技術(shù)就是將根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差得到的目標(biāo)電壓矢量，用這6個基本電壓矢量和兩個零電壓矢量中相應(yīng)的矢量電壓來合成。在某個時刻，Uout旋轉(zhuǎn)到某個扇區(qū)中，就由組成這個扇區(qū)的兩個非零矢量Ux、Ux+60和零矢量分別作用T1、T2和T0時間來合成。
在每個扇區(qū)內(nèi)，可求得近似表示目標(biāo)矢量電壓的兩個基本電壓開通持續(xù)時間公式。假定目標(biāo)電壓矢量落在第一扇區(qū)，參考電壓矢量Uout用它的（αβ)軸分量uα和uβ表示。
圖2中，參考電壓矢量Uout位于基本空間矢量U0、U60所包圍的扇區(qū)中，因此Uout可以用這兩個矢量來表示。于是有如下等式：
式中，T為一個PwM控制周期；T1、T2為合成目標(biāo)矢量的兩個基本電壓矢量持續(xù)時間；T0為零矢量持續(xù)時間。
將目標(biāo)電壓矢量分解到α一β坐標(biāo)系，得：
同理可計算得出目標(biāo)電壓矢量在每一個扇區(qū)時基本空間電壓矢量開通持續(xù)作用時間。
設(shè)目標(biāo)電壓矢量用這兩個基本電壓矢量uX和Ux+60零電壓矢量來合成，T1,T2分別為uX和Ux+60持續(xù)作用的時間。采用對稱規(guī)則采樣技術(shù)，一個開關(guān)周期內(nèi)，電壓矢量作用的次序和時間為：
由此可知，每個開關(guān)在一個調(diào)制周期內(nèi)需要開通和關(guān)斷各一次，實現(xiàn)了逆變器開關(guān)頻率恒定。
1．3全速度模型
磁通的觀測在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)磁鏈觀測器一般采用電壓模型或電流模型。電壓模型結(jié)構(gòu)簡單，但在低速時計算誤差大；電流模型低速性能好，但易受電機參數(shù)變化的影響。本系統(tǒng)采用u—n模型作為定子磁鏈的觀測模型，綜合了n—i和i—n模型的優(yōu)點，由定子電壓和轉(zhuǎn)速來獲得定子磁鏈。由式(2)得到轉(zhuǎn)子磁鏈φra信號。根據(jù)式(3)得到定子磁鏈φra信
號，根據(jù)式(4)得到定子電流isa信號。
根據(jù)上面三組方程式構(gòu)成的u一n模型如圖3所示。通過輸入定子電壓和轉(zhuǎn)速信號，來計算獲得電動機其他各量，很好地模擬了異步電機的各個物理量。
1．4參考電壓矢量uα和uβ的確定
定子磁鏈幅值誤差和轉(zhuǎn)矩誤差分別經(jīng)過一個P1控制器，得到了參考電壓向量在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩個分量ud與uq：
這兩個分量可以獨立地控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，再經(jīng)過Park變換，即得到空間向量調(diào)制所需的參考電壓向量uα與uβ.
2仿真研究
仿真選用三相交流異步感應(yīng)電機 P= 4kW
動轉(zhuǎn)矩為30 N·m。轉(zhuǎn)速達到給定值穩(wěn)定之后，在t=0．1 s加負載轉(zhuǎn)矩為20 N·m，定子磁鏈軌跡，電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化波形如圖4所示。
由仿真波形可見，系統(tǒng)在不到0 05 s內(nèi)達到設(shè)定轉(zhuǎn)速。無論在起動還是在突加負載的情況下，磁鏈軌跡比較接近圓形；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)很快，穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)矩波動范圍小于±O．3 N·m；定子電流在起動過程中很大，但很快達到穩(wěn)定。三相定子電流為互差120。相位角的正弦波形；無論是在起動加速還是在穩(wěn)態(tài)運行時，系統(tǒng)各項響應(yīng)效果都非常好。
由此可驗證此算法可應(yīng)用于實際系統(tǒng)。
3嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)及結(jié)果分析
本實驗所應(yīng)用的的變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)參見文獻[8]。嵌入式系統(tǒng)硬件平臺采用美國GE公司的VMIc高性能控制器。該控制器具有豐富的硬件開發(fā)資源支持，包括各種高性能的處理器模板、智能I／O模板、通訊組件及外圍輔助監(jiān)視控制設(shè)備等，便于不同系統(tǒng)功能的集成一體化實現(xiàn)。
軟件平臺采用嵌入式實時操作系統(tǒng)vxworks。由于控制系統(tǒng)中控制任務(wù)或控制算法的實現(xiàn)最終要靠應(yīng)用程序來完成，在本系統(tǒng)軟件的設(shè)計中，必須在一定的時間限制內(nèi)，完成一系列的處理過程，包括對異步電機的被控量(電流、電壓以及轉(zhuǎn)速等回饋信號)進行采樣、計算、邏輯判斷，完成控制算法，輸出控制信號，同時要對可能出現(xiàn)的故障報錯并進行處理。因此，采用基于vxworks的實時多任務(wù)的設(shè)計方法。
實驗室首先完成對此異步電動機的空載驅(qū)動實驗。電機參數(shù)為額定功率Pe=4 kw，額定電壓Ue=380 V；實驗中直流側(cè)母線電壓為540 v。
電機能夠按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，但在電機起動和加減速過程中，電流電壓波形變的很不規(guī)則，電機會帶有略微的振動。分析原因可能是由于代替滯環(huán)比較器的兩個PI調(diào)節(jié)器參數(shù)是按著穩(wěn)定運行時狀態(tài)計算調(diào)節(jié)的，在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，出現(xiàn)參考電壓誤差，致使sVPwM部分選擇電壓矢量不夠準(zhǔn)確。如圖5、圖6為電機在額定頻率50Hz下運行的情況。由電壓波形可知，采用svM一DTc控制方式基本實現(xiàn)了開關(guān)頻率的恒定。電流波形接近正弦波，但有明顯諧波干擾。原因是空載電流很小，干擾作用比較明顯，說明控制算法內(nèi)部參數(shù)尚需要進一步調(diào)整。
 
4 結(jié)語
本文闡述了sVM—DTc算法的原理，并通過采用磁鏈全速度模型，對sVM—DTC系統(tǒng)加以改進，通過matlab仿真，驗證其有很好的控制效果。將此控制算法還成功地應(yīng)用到了以嵌入式系統(tǒng)為控制核心的變頻調(diào)速系統(tǒng)。運行結(jié)果表明各項性能指標(biāo)都達到了很好的效果，并且實現(xiàn)了開關(guān)頻率的恒定，充分顯示了此算法具有很高的工程應(yīng)用價值。
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