一种基于磁场定向控制的电机交流调速系统设计

胥 良, 张 丛, 张 宁

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院,哈尔滨 150022)



一种基于磁场定向控制的电机交流调速系统设计

胥 良, 张 丛, 张 宁

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院,哈尔滨 150022)

为研究交流电机在高性能电驱动系统中的应用,介绍一种利用磁场定向控制,外加比例积分器来控制三相交流调速系统的简化方法,并建立仿真模型。仿真试验表明,该模型的阶跃响应非常快,稳定性高,能工作在四个象限中,实现了系统的鲁棒性和高性能,同时也验证了该设计方法的可行性。

磁场定向控制;交流调速;PI调节器

一般情况下,感应电机的运行速度是由主电压的频率和电动机磁极的数量来决定的[1]。控制感应电机的速度要比控制直流电机难很多,因为感应电机的电流和所产生的转矩之间的关系是非线性的。所以,相对于直流电动机而言,异步电动机的无刷结构会使它们在没有维护的情况下使用很长一段时间[2]。磁场定向控制技术可以在很宽的范围内改变感应电机的速度[3]。在磁场定向控制技术中,一个复杂的电流分解成两个正交的分量,一个分量用来产生电机中的磁通量,另一个分量控制电机中电磁转矩的产生。

磁场定向控制最初是为那些需要在整个速度范围内平稳运行,从零转矩开始到产生完整转矩,并具有较快加速和减速的高动态性能和高性能电机的应用而设计的[4]。所以为了研究交流电机在高性能电驱动系统中的应用,本文提出一种新的控制算法,并通过建立仿真模型及仿真试验,验证了该方法的可行性。

1 算法的基本思想

主要基于两个基本思路,一个是磁通和产生电流的转矩,另一个就是参考坐标系的转换[5]。在控制过程中,施加到电机上的是两个正交电流而不是常用的三相电流。这两个电流分别是直轴电流(id)和交轴电流(iq),分别负责在电机中产生磁通和转矩。其中,iq的电流和定子磁通是同相的,和id成直角。当然,施加到电机的实际电压和所产生的电流是常用的三相电。坐标系是由静止参考坐标系和定子磁通同步旋转的参考坐标系之间的转换[6]。把在一个参考坐标系中的正弦量转换成另一个以相同频率旋转的参考坐标系中的恒定值。通过坐标系的转换与选择后,一旦正弦量变换成一个恒定值,就能够用传统的比例积分控制器来对这个系统进行控制[7]。

2 磁场的矢量控制

感应电机的矢量控制频率是完全定向的,现在要对转子磁通在d轴下进行直接控制。通过一个单位矢量的变换命令来对旋转轨迹进行跟踪,它有一个旋转的d-q轴和静止的d-q轴,在PI控制器下的公式为

实际情况下三相电流分别为

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

ic=idssin (120)+iqscos (120)

三相abc坐标轴与d-q坐标轴的关系如图1所示,转子磁链和转矩之间的解耦关系如图2所示。

图1 abc坐标轴与d-q坐标轴之间关系

图2 转子磁链和转矩之间解耦关系

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

转子磁通为

ψr=Lm·ids/(1+Tr)

旋转坐标系转子磁通的相位角为

θ=θr+θm=∫(ωr+ωm)dt

3 磁场定向控制系统

通过对逆变输出的三相电流和电机的转速进行检测,利用本文提出的控制方法对其进行控制,使整个运行过程形成一个闭环控制系统,以此实现对电机速度的控制。控制系统如图3所示。

图3 磁场定向控制系统图

Fig.3 Magnetic field oriented control system diagram

在控制过程中,采用了可以调节滞环宽度的电流调节器,滞后调制是一种能够反馈电流的控制方法。电机的电流在滞环内作为跟踪的参考电流,实际测得的电机线电流与正弦基准电流作比较得到所需频率和幅度。如果电流超过电流滞带的上限,逆变器上桥臂关断,下桥臂打开,使电流开始减小,反之使电流增大。

使用这种控制策略的计算公式为

T=Kpe+Ki∫edt

它可以时刻更新PI调节器的输出增益,既使存在非线性关系也能保持良好的控制性能[8]。在正常运行过程中,命令转矩变化的值会被放大,如果控制器的增益超过了一定值,命令转矩变化的值会变的太高,这样会使系统处于不稳定状态。为了克服这个问题,在前面添加了一个限制器,用其产生的速度误差来限制。经过适当的选择后,即使控制器增益变高,命令转矩也会平滑地变化。当电机速度达到基准值并无过调后,跟踪稳态误差变为零,这就意味着磁场定向控制方法能使电机速度达到所需速度要求。

图4 磁场定向控制模型建立

4 模型的建立与仿真

通过上述研究建立了仿真模型,其中包含了设计的比例积分磁场定向控制器,如图4所示,比例增益为166.2,积分增益为27 700。

经过仿真之后的图形如图5、图6所示。

图5 速度正转时转矩变化

图6 速度正反转时转矩变化

Fig.6 Torque change at motor corotation and reverse

当初始速度为100 rad/s时,系统进行控制与调节,转矩开始迅速变化并时刻进行调节,使转矩在很短时间就处于稳定状态。当所要求速度提升时,如图5中在0.5 s时速度升至150 rad/s,系统随时跟踪调节,转矩在短时间内进行调节后重新回到稳定状态。而当需要电机反转时,转矩也能时刻进行调节并保持稳定。如图6所示,在0.5 s时速度变为-100 rad/s,系统进行跟踪控制,转矩同样在短时间内调节后重新回到稳定状态。整个系统在磁场定向控制下不管电机正转还是反转,系统能时刻进行跟踪并及时进行调整,使控制系统时刻处于稳定状态。

5 结 语

本文提出的基于磁场定向控制的PI调节器对电机速度的调节有较快的响应,相比其他的一些控制方法响应更快,更准确,控制效果更好。经过模型的建立与仿真试验,其结果表明:本文提出的这种方法能够很好地对电机速度进行调节,并且使系统时刻保持稳定性,实现了系统的鲁棒性与高稳定性,证明了所提出的方法可行。

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(责任编辑 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，研究方向为煤矿安全检测与控制。

TP273

A

2095-6843(2016)01-0070-03