直接转矩控制中一种磁链估计新方法_黎亚元

第20卷第5期2000年5月中　国　电　机　工　程　学　报
P ro ceedings of the CSEE
Vol.20No.5
M ay2000
文章编号:0258-8013(2000)05-0022-03
直接转矩控制中一种磁链估计新方法
黎亚元,唐浦华,宋昌林
(四川工业学院数控研究中心,四川省成都市610039)
A NEW FLUX ES TIMATION METHOD OF THE DIRECT T ORQUE C ONTROL
LI Ya-yuan,TANG Pu-hua,SONG Chang-lin
(Numerical Control Research Center,Sichuan Institute of Technology,Chengdu611744,China)
ABSTRAC T:I n this paper,the flux oriented angle of stator-flux-o riented vector co ntrol(SF OVC)is deduced by the voltage v ector space angle of the direct tor que control(D TC),and mathematical mo del is set up based on the direct-and quadra-ture-ax is component of the stato r current.Thus,the flux esti-mation of the DT C is very simple to easily use,and the precise-ness is very good.T his paper gives the ex perimental results of the DT C for the7.5kilow att induction motor,and it verifies that theory analysis is right and practical.
KEY WORDS:direct torque control;stator-flux-o riented vector control;stato r flux estimation
摘要:将直接转矩控制(DTC)与定子磁链定向矢量控制(SFOVC)相结合,利用DTC中电压矢量的空间位置角,推导出SFOVC中的磁链定向角,然后根据旋转坐标系中的d轴和q轴电流分量,建立定子磁链估计的数学模型。

这样可使DTC中磁链的估计更简便易行也更精确。

给出了一个7.5kW交流电机DT C的实验结果,证明了理论分析是正确和实用的。

关键词:直接转矩控制;定子磁链定向矢量控制;定子磁链
估计
中图分类号:T M301.2 文献标识码:A
1　引言
异步电机直接转矩控制(DTC)的研究已有很大的发展,但其应用研究还有待进一步深入。

本文建立了一个7.5kW交流异步电机DTC实验装置,对DTC中的一些问题进行了探索,其中发展了一种精度较高,便于实现的定子磁链估计方法。

目前在DTC中,对于定子磁链的估计大体上可分为两种模型,一种为u-i模型,另一种为i-n 模型[1],这两种方法实现起来都有其困难的地方。

当采用u-i模型时,可根据定子端测得的电压和电流来计算定子磁链,公式如下
ΧS=∫t0(U S-I S R S)d t(1)式中　ΧS为定子磁链矢量;U S为定子端电压矢量;I S为定子端电流矢量;R S为定子电阻。

虽然式(1)很简单,但实现起来却很困难,因为对电压采样有较大误差。

在DTC中的逆变器电压开关时间会很短暂,经过采样后再进行积分运算误差很大,造成磁链估计的严重失真。

磁链估计的另一类为i-n模型。

这种方法是根据测得的定子电流和电机转速来计算定子磁链,其基本公式为
ΧS=1
1+
Lσ
L S
(I S Lσ+Χr)(2)
式中　Χr为转子磁链矢量;Lσ为漏电感;L S为定子主电感。

这个算式也不复杂,但从式(2)中可以明显看出,必须首先确定转子磁链矢量Χr才能由式(2)解出定子磁链。

众所周知,测定Χr本身就是一项很复杂的工作。

因此根据i-n模型来估计定子磁链是有相当难度的。

也有把这两种方法结合在一起,或采用一些其它类似的方法[2],但却存在类似的问题。

为克服这些困难,笔者提出了一种新方法,把DTC方法与定子磁链定向方法相结合,利用两者的特点来进行定子磁链估计。

从本质上看DTC方法与定子磁链定向控制是一样的。

在DTC方法中,磁链闭环的作用在于不论
DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2000.05.006
转矩发生什么样的变化,定子磁链总是保持沿一个近似于圆的轨迹运动,磁链的转速也会被动态地调整,通过特殊的磁链闭环实现转矩和磁链的解耦。

可以认为DTC 就是一种特定方式的定子磁链定向控制。

基于这种理解,就可以把两种方法结合在一起来处理定子磁链的估计。

2　定子磁链估计模型
图1表示了一个定子磁链定向矢量图。

图中d S -q S 为静止坐标,d -q 为以同步转速旋转的坐标,且d 轴与定子磁链ΧS 重合。

定子电流I S 在d S
-q
S
坐标中的分量分别为I S ds 和I S
qs
,它在d -q 坐标
中的分量分别为I ds 和I qs 。

如果以某种电流模型来估计定子磁链,既可以采用d S -q S 系中的电流分
量I S ds 和I S
qs ,也可以采用d -q 系中的电流分量I ds 和I qs ,但是两者之间有较大的差别。

d -q 系是用于
定子磁链定向控制的坐标系,考虑到实现d 轴与q 轴分量的解耦,则有:Χds =ΧS ;Χqs =0。

这样就会使在d -q 系中的电流模型更简单,为定子磁链的估计带来很大的方便。

采用这种磁链估计方法,首先应解决的问题是如何确定定子磁链定向角(图1中的θs );其次要解决的问题是如何建立磁链估计模型。

下面就这两个问题进行分析。

图1　定子磁链定向矢量图
Fig .1　Stator -f lux -oriented vector figure
2.1　定子磁链定向角θS 的确定
在DTC 方法中,采用的是磁链轨迹跟踪PWM 方式。

这是通过按一定的规律切换逆变器的开关逻辑来使磁链按某种轨迹(近似于圆)运动,这种电压开关逻辑是已知的。

即电机定子端电压矢量大小方向均为已知的,这就为确定θS 角带来极大的方便。

从(1)式可以看出,U S -I S R S 与ΧS 之间是一个积分关系,根据相频特性关系,其相位差应为π/2。

如前述,U S 矢量是已知的,定子电流矢量I S 可通过对定子电流实测得到,定子电阻是已知的,这样
就可以求出矢量差U S -I S R S ,如图2所示。

根据
ΧS 滞后于U S -I S R S 的关系,可确定ΧS 的方向,即定子磁链定向角θS 的任何动态位置都可被确定。

图2　定子磁链定向角
Fig .2　The oriented angle of stator -flux
当得知θs 后,一个以定子磁链定向的同步旋转坐标系就被建立起来。

通过对电机定子电流测试可得到静止坐标系d S -q S 中的电流分量I s ds 、I s qs 和合
电流I S ,如图1所示。

它们可被转换成旋转坐标系d -q 中的电流分量I ds 和I qs ,得到这两个电流后,即可建立一个基于定子磁链定向的磁链估计模型。

2.2　定子磁链估计模型
在一旋转系中,由文[3]可得到式(3)～(8)。

电机转子电压方程为:
0=R r I qr +d Χqr d t +(ωe -ωr )Χdr
(3) 0=R r I dr +d Χqr
d t
-(ωe -ωr )Χqr
(4)转子磁链方程为:
Χqr =L r I qr +L m I qs
(5)Χdr =L r I dr +L m I ds
(6)
定子磁链方程为:
Χqs =
L r I qs +L m I qr (7)Χds =L r I ds +L m I dr
(8)式中　R r 为转子电阻;I qr 为转子电流q 轴分量;I dr
为转子电流d 轴分量;Χqr 为转子磁链q 轴分量;
Χdr 为转子磁链d 轴分量;ωe 为电机同步转速;ωr 为电机转子转速;I qs 为定子电流q 轴分量;I ds 为定
子电流d 轴分量;Χqs 为定子磁链q 轴分量;Χds 为定子磁链d 轴分量;L S 为定子主电感;L r 为转子主电感;L m 为互感。

由方程(3)～(8)推导出
Χqs (1+p T r )=I qs (L S +(L S -L 2m L r
)p T r )-ωsl T r (Χds -(L S -L 2m
L r )I ds
)(9)
Χds (1+p T r )=I ds (L S +(L S -L 2m
L r
)p T r )-ωsl T r (Χqs -(L S -L 2m
L r
)I qs )
(10)
23
　第5期 黎亚元等:　直接转矩控制中一种磁链估计新方法
式中　p 为微分因子;T r 为转子电气时间常数;ωsl 为转差频率。

如把Χds =ΧS ;Χqs =0代入式(9)和(10),则可简化成下面的式子
0=I qs (L S +(L S -L 2m
L r
)p T r )-ωsl T r (ΧS -(L S -L 2m
L r )I ds
)(11)
Χs =1
1+p T r (I ds (L S +(L S -L 2
m L r
)p T r )+ωsl T r (L S -L 2m
L r )I qs
)(12)式(11)和(12)就是定子磁链估计的数学模型。

可把两式离散化后进行定子磁链的计算,转差频率ωsl 的初值可取同步速ωe ,因为在电机起动瞬间转子转速接近于零。

I ds 和I qs 可通过前面所述的方法求得,再用迭代的方法可求得任一瞬间的定子磁链矢量ΧS 的幅值,其空间方向角θS 按前面介绍的方法确定。

从(12)式可以看出,采用定子磁链定向方法定子磁链主要取决于I ds 的大小,但也要受到q 轴电流分量I qs 的影响,即是说,不能实现完全解耦。

在定子磁链定向矢量控制中必须采用补偿方法去消除I qs 的耦合影响,而在DTC 中,由于有磁链轨迹控制闭环,其耦合影响可被消除。

3　磁链估计的实验研究
笔者在一套7.5kW 交流异步电机的实验装置上进行了DTC 方法的研究,系统中实现了转矩和速度闭环控制。

实验装置上具有机械加载系统,已达
到较好的控制效果。

控制中定子磁链估计采用了本文讨论的方法,首先确定定子磁链空间角θS ,然后通过实测的
I S ds 和I S
qs
,见图3,计算I ds 和I qs ,图4显
示了这两个分量,它们都近似为直流量。

通过方程
(11)和(12)估计的定子磁链ΧS ,如图5所示。

笔者把它与u -i 模型进行了对比实验,用这种方法实测相电压波形如图6所示,相电流波形如图7所
图3　d S -q S 系中I S ds I S
qs 电流分量
Fig .3　Current I S ds I S qs in d S -q
S
示,根据(1)式可实时地估计定子磁链,如图8所示。

实验中发现磁链轨迹圆每运转一周,其圆心发生漂移,从图8中可看出这个现象。

尽管电流测试是比
图4　d e -q e 系中I S ds I S
qs 电流分量
Fig .4　C urrent I S d s I S q s in d e -q
e
图5　定子磁链轨迹Fig .5　Track curve of
stator
图6　定子相电压波形
Fig .6　Waveform of stator
voltage
图7　定子相电流波形Fig .7　Waveform of stator
current
图8　定子磁链轨迹
Fig .8　track curve of stator
(下转第29页continued on page 29)
24 中　国　电　机　工　程　学　报 第20卷
图7　PF及PHAPF的滤波特性Fig.7　C urrent spectrum with PF and APF 等问题,对混合滤波器的动态补偿性能及控制器稳定等问题将另文讨论。

参考文献:
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pow er s ystems[J].IEEE Trans on Power Delivery,1995,10
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T rans on Pow er Electronics,1994,9(3):263～268.
[7]　李群湛.牵引变电所电气量通用变换与综合补偿技术的研究
[D].成都:西南交通大学,1998,5.
收稿日期:1999-02-01;　改回日期:1999-10-15。

作者简介:
唐卓尧(1962-),男,副教授,博士后,从事电网无功谐波治理及电力电子技术应用等方面的研究;
任　震(1938-),男,教授、博士生导师,从事小波分析及其在电力系统中的应用、高压直流输电、电力系统规划与可靠性等领域的科研和教学工作。

(责任编辑　丁玉瑜)
(上接第24页continued from page24)
较理想的,但是由于三相相电压测试很难准确,导致积分累积误差,最终引起磁链轨迹的漂移。

根据本文的控制思想已经实现了磁链闭环、转矩闭环和速度闭环控制,得到了较理想的控制效果。

参考文献:
[1]　李岚.异步电机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,
1994.[2]　Takahashi I,Noguchi T.A new quick-respons e and high-efficiency
control strategy of an induction motor[J].IEEE T rans on Indus-try Applications,1986,22(5):820～827.
[3]　鲍斯B K.电力电子学与交流传动[M].西安:西安交通大学出
版社,1990.
收稿日期:1999-05-17;　改回日期:1999-10-29。

作者简介:
黎亚元,教授,博士生导师,从事机械电子工程及电机伺服驱动系统研究。

(责任编辑　丁玉瑜)
29
　第5期 唐卓尧等:　并联型混合滤波器及其滤波特性分析。