講稿-軌跡跟蹤

低開關(guān)頻率中壓傳動的定子磁鏈軌跡跟蹤控制天津電氣傳動研究所馬小亮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)傳動已得到廣泛應用。特點：降低開關(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.概述低開關(guān)頻率帶來的問題：電流諧波大(不宜用常規(guī)PWM策略)；動態(tài)響應慢(常規(guī)VC要多個開關(guān)周期)；d、q軸控制交叉耦合。a)PI調(diào)節(jié)b)PI調(diào)節(jié)+前饋解耦補償Ⅰ.概述解決辦法：用同步對稱優(yōu)化PWM策略解決諧波問題。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)問題。用基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速解決響應及耦合問題?；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場合。Ⅱ.同步對稱優(yōu)化PWM問題隨fs降低，每個輸出基波周期中的PWM方波數(shù)(FR)減少，用常規(guī)的SPWM或SVPWM產(chǎn)生PWM信號，輸出波形中諧波太大，無法正常工作。解決辦法采用同步對稱優(yōu)化PWM

同步FR=整數(shù)，(常規(guī)PWM是異步調(diào)制)對稱1/4周期左右對稱和1/2周期正負半周對稱，優(yōu)化PWM指定諧波消除法(SHE-PWM)，消除N-1個特征諧波(N是1/4周期開加關(guān)次數(shù))，第一個未消除諧波被放大，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都有簡單的近似算法)Ⅱ.同步對稱優(yōu)化PWM

fs

=200Hz常規(guī)SVPWM和CHM-

對稱和不對稱THDPWM的三電平逆變器波形圖

(a)同步不對稱，(b)同步且對稱

Ⅱ.同步對稱優(yōu)化PWM同步對稱優(yōu)化PWM的應用離線計祘開關(guān)角ai(i

=1…12N)，存于表P(M,N)中，工作時根據(jù)輸入電壓矢量u*調(diào)用。f1用來把ai角變換成時間ti，ti

=ai

/ws

=ai/2pf1

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

Ⅱ.同步對稱優(yōu)化PWM產(chǎn)生沖擊的原因定子磁鏈初始值不對。設原來按表中P1組角度工作，在t=t2時改成按P2工作而P2對應的穩(wěn)態(tài)期望磁鏈為由于二式初始條件不同，使實際磁鏈偏離期望磁鏈，產(chǎn)生動態(tài)調(diào)制誤差矢量d，它按定子暫態(tài)時間常數(shù)衰減。連續(xù)更改調(diào)用值，誤差積累將導致系統(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)問題。在暫態(tài)根據(jù)期望的定子磁鏈矢量與實際的定子磁鏈矢量(觀測值)之差d修正P(M,N)表中的開關(guān)角，避免沖擊。Ⅲ.

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

(tc—調(diào)用開始時刻)為減少長時間積分帶來的計算困難和累積誤差，把每個ai角對應的穩(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個開關(guān)角ai對應時刻)時間差tc-ti很短，避免了長時間積分。Ⅲ.

定子磁鏈軌跡跟蹤控制(FTTC)實際的定子磁鏈來自按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電動機電流模型。

Ⅲ.

定子磁鏈軌跡跟蹤控制(FTTC)動態(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開關(guān)時刻來修正。采樣和修正周期為Tk=0,5ms(小于PWM開關(guān)周期)，在這周期中若某相存在PWM跳變，便修正它的跳變時刻，無跳變便不修正。修正的原理：對于電壓正跳變(標記為s=+1)

，若跳變時刻推后Dt>0，則伏-秒面積減小，反之則伏-秒面積增加；對于電壓負跳變(標記為s=-1)

，若跳變時刻推后Dt>0，則伏-秒面積增加，反之則伏-秒面積減??；若無跳變，標記為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次跳變的時間修正量Dtai為，則在Tk中a相動態(tài)調(diào)制誤差的修正量為d矢量在abc三相坐標系的三個分量即三相侍修正誤差量，代入上式可算出各相應修正的時間。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”VC中輸入電壓矢量u*(等于PWM輸出基波，不含諧波)來自電流調(diào)節(jié)器輸出，含有噪聲，把它送至優(yōu)化PWM，將導致P(M,N)錯誤調(diào)用和修正，系統(tǒng)紊亂。解決辦法借助電機觀測器建立一個能輸出干凈u*的“自控電機”。

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

Ⅳ.基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)混合觀測器定子模型是降階觀測器，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”后系統(tǒng)不能調(diào)速，必須通過外環(huán)加入擾動矢量才能改變原來的穩(wěn)定工作狀態(tài)?；贔TTC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PI調(diào)節(jié)器)組成，沒有電流調(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，可以通過控制來控制。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，可以通過控制來控制轉(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，與來自觀測器的比較后得“自控電機”的擾動矢量信號。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，實現(xiàn)磁鏈與轉(zhuǎn)矩的分別控制和快速響應。為消除電機參數(shù)變化對系統(tǒng)影響，引入2個參數(shù)補償PI調(diào)節(jié)器，由于電機參數(shù)變化緩慢，這2個PI調(diào)節(jié)的比例系數(shù)P很小，時間常數(shù)T大。Ⅳ.基于FTTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)C.30KW樣機和1WM工業(yè)裝置實驗結(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占空比來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，響應時間需多個開關(guān)周期，在低fs下動態(tài)解耦效果不好。本系統(tǒng)通過改變PWM波形前后沿角度來調(diào)節(jié)，響應過程有可在一個開關(guān)周期內(nèi)完成，動態(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關(guān)頻率，帶來PWM波形諧波大問題。解決諧波問題的辦