交流傳動電力機(jī)車直接轉(zhuǎn)矩控制策略實現(xiàn)
摘要:直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)是目前應(yīng)用于交流傳動電力機(jī)車異步牽引電機(jī)的控制策略。在此詳細(xì)介紹了異步牽引電機(jī)在機(jī)車基速范圍內(nèi),DTC的實現(xiàn)方式,通過Matlab/Simulink搭建了仿真模型,最后在基于TMS320VC33+TMS320LF2407A的雙DSP控制器逆變器實驗平臺上完成了硬件實驗,仿真和實驗結(jié)果驗證了控制策略的正確性。
關(guān)鍵詞:異步電機(jī);直接轉(zhuǎn)矩控制;磁鏈軌跡;控制器
1 引言
對交流傳動電力機(jī)車這類變流器開關(guān)頻率較低而關(guān)斷電流較大的交流傳動控制系統(tǒng)而言,無論是使用矢量控制還是DTC策略,當(dāng)它與空間矢量調(diào)制(SVPWM)策略結(jié)合時,在整個調(diào)速區(qū)段,定子磁鏈軌跡不可能一直保持為準(zhǔn)圓形,都會從一定速度開始由異步調(diào)制向同步調(diào)制過渡,
以及在某個速度段內(nèi)不同載波比的分段同步調(diào)制的過渡。異步調(diào)制利用較高的開關(guān)頻率使定子磁鏈最大限度地逼近圓形,從而減少低速運(yùn)行時定子電流畸變問題,分段同步調(diào)制使定子磁鏈軌跡轉(zhuǎn)為多邊形,降低了電機(jī)高速運(yùn)行時逆變器開關(guān)頻率和開關(guān)損耗,但分段同步調(diào)制算法較復(fù)雜。這里提出了一種適用于電力牽引的DTC方案,它由異步牽引電機(jī)低速運(yùn)行的新型空間矢量異步調(diào)制DTC和高速運(yùn)行時直接自控制(DSC)方式組成,通過速度閾值切換兩套策略,完成了對異步牽引電機(jī)的閉環(huán)控制,仿真和實驗驗證了該方案有效。
2 牽引電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)
2.1 低速異步空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制
電力機(jī)車在低速區(qū)段使用新型基于SVPWM的DTC技術(shù),如圖1所示。
圖1首先利用觀測器估算(k-1)時刻靜止α,β坐標(biāo)系下定子磁鏈幅值|ψs|及其α,β軸上的分量ψsα和ψsβ,以及此時轉(zhuǎn)矩Te,對轉(zhuǎn)矩和磁鏈分別進(jìn)行PI調(diào)節(jié),那么轉(zhuǎn)矩PI將調(diào)節(jié)出轉(zhuǎn)矩動態(tài)增量△Xd,磁鏈PI將調(diào)節(jié)出磁鏈動態(tài)增量kψ,最后可得在此控制周期Ts結(jié)束時,希望定子磁鏈所在位置θref為當(dāng)前磁通角度θ加上穩(wěn)定運(yùn)行掃過角度△Xσ以及△Xd,即:θref=θ+△Xσ+△Xd。
對于定子磁鏈幅值,設(shè)當(dāng)前量為|ψs|,因此希望在Ts結(jié)束時,定子磁鏈幅值為|ψs|(1+kψ),最后可確定預(yù)測的那么在Ts內(nèi)定子磁鏈的增量△ψs=ψsref-ψs(k-1)。假如Ts足夠短,可認(rèn)為有:包含了下一時刻所希望得到的轉(zhuǎn)矩值與|ψs|信息,將進(jìn)行空間矢量異步調(diào)制就可得到牽引逆變器的門極脈沖,從而控制電機(jī)。
2.2 分段同步調(diào)制方式
圖2為兩種策略的逆變器開關(guān)頻率。異步調(diào)制正負(fù)半周的脈沖數(shù)不對稱。隨著基波頻率上升,不對稱脈沖寬度增大,轉(zhuǎn)矩脈動劇烈,則脈沖數(shù)保持對稱的同步調(diào)制將取代異步調(diào)制。這時采用異步調(diào)制向同步調(diào)制過渡的方式,將逆變器開關(guān)頻率fs強(qiáng)制拉低,但隨著基波頻率fb上升,fs將繼續(xù)上升至安全上限,繼續(xù)減小載波比,拉低fs,形成了分段同步(1,2,3)調(diào)制過渡。實際工作時,逆變器在此調(diào)制方式下fs受電機(jī)轉(zhuǎn)速影響很大,只有在轉(zhuǎn)換點附近,fs才得以充分利用,而只有一直讓逆變器工作在安全上限附近,才能在保證期間安全的前提下,最大限度地利用fs,如圖2實線所示。
2.3 直接自控制方式
采用分段同步調(diào)制存在如前所述的諸多問題,為此這里采用較簡單且可靠的DSC方式如圖3所示。
由于上下兩種控制方式在結(jié)構(gòu)上差異巨大,在選擇切換時可能會帶來諸如轉(zhuǎn)矩脈動等不利影響,但經(jīng)過仿真和實驗發(fā)現(xiàn)保持一定的采樣率和完善的過渡措施并不會引起轉(zhuǎn)矩大的脈動。
傳統(tǒng)DSC方式并不能自我實現(xiàn)開關(guān)頻率的恒定,這是因為當(dāng)定子磁鏈位置一定時,不同電壓矢量對磁鏈和Tf的作用效果不同,與磁鏈角度越小,改變|ψs|越顯著,與磁鏈越垂直,改變轉(zhuǎn)矩越顯著,造成了被控量到達(dá)相應(yīng)滯環(huán)閾值時間的差異,因此fs不固定。此外滯環(huán)寬度也是一個重要因素,滯環(huán)寬度越大,在電壓矢量的作用下,Tf和|ψs|到達(dá)相應(yīng)滯環(huán)閾值的時間也越長,fs也就越低,故加入了開關(guān)頻率PI調(diào)節(jié)單元,根據(jù)測定的實際fs,時刻調(diào)整轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度,實現(xiàn)了fs固定。圖4示出fs固定前后仿真結(jié)果。
結(jié)果顯示,采用開關(guān)頻率PI調(diào)節(jié)器和可變滯環(huán)比較器前,隨著轉(zhuǎn)速ω上升,fs不固定的,且存在較大波動,顯然是不符合充分利用fs的目的,而加入了開關(guān)頻率PI調(diào)節(jié)單元和可變滯環(huán)比較器后,實現(xiàn)了fs恒定。
3 實驗分析
3.1 Matlab/Simulink的仿真分析
為驗證所提出控制策略的正確性與可行性,首先搭建了基于圖1.3所示的Matlab/Smulink仿真實驗框圖,進(jìn)行仿真驗證,選取DJ2型交流傳動電力機(jī)車使用的JD121三相異步牽引電機(jī)進(jìn)行仿真,參數(shù)為:電機(jī)功率1 225 kW,定子電阻40.2 mΩ,轉(zhuǎn)子電阻40.5 mΩ,定子漏感975.5μH,轉(zhuǎn)子漏感843.8μH,互感28.3 mH,定子磁鏈給定,中間直流電壓Udc=2.8 kV。模型由低速模型和高速模型組成,假設(shè)電機(jī)從零速開始上升到基速,期間在15%的低速區(qū)內(nèi)使用了圓形磁鏈軌跡的異步SVPWMDTC,而在15%到基速范圍內(nèi)使用了六邊形磁鏈軌跡的DSC方式。由于采用了合理的過渡措施,避免了轉(zhuǎn)矩在切換處的沖擊。
圖5a顯示了圓形磁鏈軌跡與六邊形磁鏈軌跡切換點附近電流變化情況,虛線左側(cè)為圓形磁鏈軌跡對應(yīng)的定子電流is1,虛線右側(cè)為六邊形對應(yīng)的定子電流is2。虛線所示的交接處沒有產(chǎn)生電流紊亂,過渡平穩(wěn)故未產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩沖擊。圖5b中圓形磁鏈軌跡與六邊形磁鏈軌跡完美對接,磁鏈軌跡未發(fā)生紊亂。
值得注意,六邊形磁鏈雖然規(guī)則對稱,但離理想圓形仍相去甚遠(yuǎn),相應(yīng)定子電流(勵磁電流)必含有較大的諧波分量,畸變比較嚴(yán)重,但可通過折角處理抑制這種畸變。
3.2 使用雙DSP控制器的硬件實驗分析
在仿真基礎(chǔ)上,進(jìn)行了小功率異步電機(jī)的硬件實驗。硬件實驗平臺采用異步電動機(jī)拖動他勵直流發(fā)電機(jī)帶電阻負(fù)載,通過改變他勵發(fā)電機(jī)勵磁電壓,調(diào)節(jié)負(fù)載,控制器采用雙DSP芯片系統(tǒng)TMS320VC33+TMS320LF2407A,2407主要采集轉(zhuǎn)速和電壓、電流然后通過握手協(xié)議向VC33傳送采集的數(shù)據(jù)以及向IGBT驅(qū)動發(fā)送脈沖的外圍工作,而VC33是150 MHz的浮點運(yùn)算芯片,主要接收2407傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù),然后進(jìn)行控制策略和PWM策略計算,最后向2407發(fā)送控制命令及改變PWM脈沖信息等。系統(tǒng)開關(guān)頻率1 kHz,采樣頻率10 kHz,利用板載D/A模塊,將定子電壓、電流、定子磁鏈波形分別進(jìn)行顯示。
圖6示出圓形磁鏈軌跡及其對應(yīng)的定子線電壓和相電流,可見定子磁鏈保持了較好的圓度,定子相電壓也保持對稱,未出現(xiàn)較多毛刺,由于磁鏈圓度較好,相電流保持了較好的正弦性,由于采樣率不是很高,電流內(nèi)部有較多毛刺,不是很平滑。
圖7示出正六邊形磁鏈軌跡及其對應(yīng)的定子線電壓和相電流,可見定子磁鏈在高速時保持了較好的對稱度,定子相電壓也保持對稱,沒有出現(xiàn)較多毛刺,但由于定子磁鏈不再保持圓形,正如仿真分析所得結(jié)果,使得定子電流正弦度變差,但可通過折角處理得以改善,此處不贅述。
4 結(jié)論
以電力牽引直接轉(zhuǎn)矩控制為研究對象,提出在電機(jī)低速區(qū)域采用異步空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制,它采用預(yù)測控制的思想,利用當(dāng)前定子磁鏈與預(yù)期定子磁鏈的誤差構(gòu)成微分量,生成參考電壓矢量,完成對電機(jī)的閉環(huán)控制,同時在高速區(qū)采用直接自控制代替分段同步調(diào)制,避免了復(fù)雜的同步調(diào)制運(yùn)算,并且利用一個開關(guān)頻率反饋控制環(huán)完成了開關(guān)頻率的固定,最后利用數(shù)字化交流傳動實驗平臺對所提理論進(jìn)行了實驗驗證,實驗結(jié)果驗證了此處所提出策略的正確性。