交流傳動電力機車直接轉(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車異步牽引電機的控制策略。在此詳細介紹了異步牽引電機在機車基速范圍內(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；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，降低了電機高速運行時逆變器開關(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，它由異步牽引電機低速運行的新型空間矢量異步調(diào)制DTC和高速運行時直接自控制(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的閉環(huán)控制，仿真和實驗驗證了該方案有效。

2 牽引電機的直接轉(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。
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，進行仿真驗證，選取DJ2型交流傳動電力機車使用的JD121三相異步牽引電機進行仿真，參數(shù)為：電機功率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，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，進行了小功率異步電機的硬件實驗。硬件實驗平臺采用異步電動機拖動他勵直流發(fā)電機帶電阻負載，通過改變他勵發(fā)電機勵磁電壓，調(diào)節(jié)負載，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的浮點運算芯片，主要接收2407傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)，然后進行控制策略和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。