講稿-軌跡跟蹤

低開(kāi)關(guān)頻率中壓傳動(dòng)的定子磁鏈軌跡跟蹤控制天津電氣傳動(dòng)研究所馬小亮Ⅰ.概述基于高壓大功率器件的兩電平和三電平變頻器(PWM整流和逆變器)傳動(dòng)已得到廣泛應(yīng)用。特點(diǎn)：降低開(kāi)關(guān)頻率以增大輸出。

(EUPEC6.5KV600AIGBT)fs從800Hz降至200Hz，輸出電流大約增加一倍。Ⅰ.概述低開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的問(wèn)題：電流諧波大(不宜用常規(guī)PWM策略)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢(常規(guī)VC要多個(gè)開(kāi)關(guān)周期)；d、q軸控制交叉耦合。a)PI調(diào)節(jié)b)PI調(diào)節(jié)+前饋解耦補(bǔ)償Ⅰ.概述解決辦法：用同步對(duì)稱優(yōu)化PWM策略解決諧波問(wèn)題。用定子磁鏈跟蹤控制(FTTC)解決如何把優(yōu)化PWM用于快速系統(tǒng)問(wèn)題。用基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速解決響應(yīng)及耦合問(wèn)題?；贔TTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種與DTC和常規(guī)VC都不同的新調(diào)速系統(tǒng)，用于M>0.3場(chǎng)合。Ⅱ.同步對(duì)稱優(yōu)化PWM問(wèn)題隨fs降低，每個(gè)輸出基波周期中的PWM方波數(shù)(FR)減少，用常規(guī)的SPWM或SVPWM產(chǎn)生PWM信號(hào)，輸出波形中諧波太大，無(wú)法正常工作。解決辦法采用同步對(duì)稱優(yōu)化PWM

同步FR=整數(shù)，(常規(guī)PWM是異步調(diào)制)對(duì)稱1/4周期左右對(duì)稱和1/2周期正負(fù)半周對(duì)稱，優(yōu)化PWM指定諧波消除法(SHE-PWM)，消除N-1個(gè)特征諧波(N是1/4周期開(kāi)加關(guān)次數(shù))，第一個(gè)未消除諧波被放大，需解N維三角函數(shù)聯(lián)立方程；電流階波最小法(CHM-PWM)，所有電流諧波THD

最小，需用遺傳算法。(兩種優(yōu)化PWM都有簡(jiǎn)單的近似算法)Ⅱ.同步對(duì)稱優(yōu)化PWM

fs

=200Hz常規(guī)SVPWM和CHM-

對(duì)稱和不對(duì)稱THDPWM的三電平逆變器波形圖

(a)同步不對(duì)稱，(b)同步且對(duì)稱

Ⅱ.同步對(duì)稱優(yōu)化PWM同步對(duì)稱優(yōu)化PWM的應(yīng)用離線計(jì)祘開(kāi)關(guān)角ai(i

=1…12N)，存于表P(M,N)中，工作時(shí)根據(jù)輸入電壓矢量u*調(diào)用。f1用來(lái)把a(bǔ)i角變換成時(shí)間ti，ti

=ai

/ws

=ai/2pf1

(ws是定子角頻率)。控制框圖Ⅱ.同步對(duì)稱優(yōu)化PWM該控制框圖只適用于V/F調(diào)速系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，一個(gè)基波周期更換一次P(M,N)表中數(shù)據(jù)。高性能系統(tǒng)要求在任意時(shí)刻更換P(M,N)表中數(shù)據(jù)，給系統(tǒng)帶來(lái)沖擊，造成過(guò)流。定子電流矢量軌跡圖

Ⅱ.同步對(duì)稱優(yōu)化PWM產(chǎn)生沖擊的原因定子磁鏈初始值不對(duì)。設(shè)原來(lái)按表中P1組角度工作，在t=t2時(shí)改成按P2工作而P2對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)期望磁鏈為由于二式初始條件不同，使實(shí)際磁鏈偏離期望磁鏈，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)調(diào)制誤差矢量d，它按定子暫態(tài)時(shí)間常數(shù)衰減。連續(xù)更改調(diào)用值，誤差積累將導(dǎo)致系統(tǒng)故障。Ⅲ.

定子磁鏈軌跡跟蹤控制(FTTC)FTTC解決如何把優(yōu)化PWM用于快速系統(tǒng)問(wèn)題。在暫態(tài)根據(jù)期望的定子磁鏈?zhǔn)噶颗c實(shí)際的定子磁鏈?zhǔn)噶?觀測(cè)值)之差d修正P(M,N)表中的開(kāi)關(guān)角，避免沖擊。Ⅲ.

定子磁鏈軌跡跟蹤控制(FTTC)穩(wěn)態(tài)期望磁鏈通過(guò)積分按P(M,N)表中角度再造的電壓矢量獲得。

(tc—調(diào)用開(kāi)始時(shí)刻)為減少長(zhǎng)時(shí)間積分帶來(lái)的計(jì)算困難和累積誤差，把每個(gè)ai角對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)期望磁鏈(ti)也離線算好，存在P(M,N)表中，一起調(diào)用。

積分初始值(ti

=ai

/ws是領(lǐng)先tc的第i個(gè)開(kāi)關(guān)角ai對(duì)應(yīng)時(shí)刻)時(shí)間差tc-ti很短，避免了長(zhǎng)時(shí)間積分。Ⅲ.

定子磁鏈軌跡跟蹤控制(FTTC)實(shí)際的定子磁鏈來(lái)自按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電動(dòng)機(jī)電流模型。

Ⅲ.

定子磁鏈軌跡跟蹤控制(FTTC)動(dòng)態(tài)調(diào)制誤差d用以修正P(M,N)表中ai，使d趨于最小。磁鏈誤差是PWM波形的伏-面積誤差，可以通是改變PWM開(kāi)關(guān)時(shí)刻來(lái)修正。采樣和修正周期為Tk=0,5ms(小于PWM開(kāi)關(guān)周期)，在這周期中若某相存在PWM跳變，便修正它的跳變時(shí)刻，無(wú)跳變便不修正。修正的原理：對(duì)于電壓正跳變(標(biāo)記為s=+1)

，若跳變時(shí)刻推后Dt>0，則伏-秒面積減小，反之則伏-秒面積增加；對(duì)于電壓負(fù)跳變(標(biāo)記為s=-1)

，若跳變時(shí)刻推后Dt>0，則伏-秒面積增加，反之則伏-秒面積減??；若無(wú)跳變，標(biāo)記為s=0。Ⅲ.

定子磁鏈軌跡跟蹤控制(FTTC)以a相為例，若在Tk中存在n次跳變，其中第i次跳變的時(shí)間修正量Dtai為，則在Tk中a相動(dòng)態(tài)調(diào)制誤差的修正量為d矢量在abc三相坐標(biāo)系的三個(gè)分量即三相侍修正誤差量，代入上式可算出各相應(yīng)修正的時(shí)間。Ⅲ.

定子磁鏈軌跡跟蹤控制(FTTC)Ⅳ.基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)A.“自控電機(jī)”VC中輸入電壓矢量u*(等于PWM輸出基波，不含諧波)來(lái)自電流調(diào)節(jié)器輸出，含有噪聲，把它送至優(yōu)化PWM，將導(dǎo)致P(M,N)錯(cuò)誤調(diào)用和修正，系統(tǒng)紊亂。解決辦法借助電機(jī)觀測(cè)器建立一個(gè)能輸出干凈u*的“自控電機(jī)”。

u*不來(lái)自電流調(diào)節(jié)器輸出，而是優(yōu)化PWM輸入，觀測(cè)器輸出一個(gè)干凈的u*’信號(hào)，又送回PWM輸入，這是一個(gè)自我封閉的穩(wěn)態(tài)工作系統(tǒng)，所有輸出都是干凈的基波值，僅在接受輸入擾動(dòng)信號(hào)后才改變工作狀態(tài)。

Ⅳ.基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)混合觀測(cè)器定子模型是降階觀測(cè)器，轉(zhuǎn)子模型是轉(zhuǎn)子磁鏈定向模型(電流模型電流模型)。

Ⅳ.基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)B.基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)引入“自控電機(jī)”后系統(tǒng)不能調(diào)速，必須通過(guò)外環(huán)加入擾動(dòng)矢量才能改變?cè)瓉?lái)的穩(wěn)定工作狀態(tài)。基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)外環(huán)由磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器)組成，沒(méi)有電流調(diào)節(jié)器。

Ⅳ.基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)磁鏈調(diào)節(jié)器的輸出是定子磁鏈d軸分量給定，由于

轉(zhuǎn)子磁鏈不與q軸耦合，可以通過(guò)控制來(lái)控制。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出是定子磁鏈q軸分量給定，由于在恒定條件下，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩不與d軸耦合，可以通過(guò)控制來(lái)控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩和電流的限制由該調(diào)節(jié)器限幅實(shí)現(xiàn)。Ⅳ.基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

和合成得定子磁鏈給定矢量，與來(lái)自觀測(cè)器的比較后得“自控電機(jī)”的擾動(dòng)矢量信號(hào)。由于FTTC的跟蹤性能好，能很快消除磁鏈誤差，從而消除交叉耦合，實(shí)現(xiàn)磁鏈與轉(zhuǎn)矩的分別控制和快速響應(yīng)。為消除電機(jī)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)影響，引入2個(gè)參數(shù)補(bǔ)償PI調(diào)節(jié)器，由于電機(jī)參數(shù)變化緩慢，這2個(gè)PI調(diào)節(jié)的比例系數(shù)P很小，時(shí)間常數(shù)T大。Ⅳ.基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)C.30KW樣機(jī)和1WM工業(yè)裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果Ⅳ.基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)本調(diào)速系統(tǒng)性能優(yōu)于常規(guī)VC。常規(guī)VC用電流調(diào)節(jié)器改變PWM占空比來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)時(shí)間需多個(gè)開(kāi)關(guān)周期，在低fs下動(dòng)態(tài)解耦效果不好。本系統(tǒng)通過(guò)改變PWM波形前后沿角度來(lái)調(diào)節(jié)，響應(yīng)過(guò)程有可在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)完成，動(dòng)態(tài)解耦效果好。本調(diào)速系統(tǒng)性能也優(yōu)于TDC。TDC在低開(kāi)關(guān)頻率下電流波形諧波大，影響裝置出力。Ⅴ.結(jié)論基于高壓大功率器件的變頻器要求低開(kāi)關(guān)頻率，帶來(lái)PWM波形諧波大問(wèn)題。解決諧波問(wèn)題的辦