三相異步電動機(jī)模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制方法研究

蔣玲 洪亮

摘要：提出了一種三相異步電動機(jī)模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制方法，此方法以磁鏈和轉(zhuǎn)矩為被控變量，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，確定最優(yōu)電壓矢量。借助于MATLAB/Simulink模塊，對模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制方法進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制，采用模型預(yù)測控制直接轉(zhuǎn)矩控制方法，能夠快速跟蹤給定值，減少電流諧波畸變，降低轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，大大改善了其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：模型預(yù)測控制;三相異步電動機(jī);直接轉(zhuǎn)矩控制;MATLAB/Simulink

0 引言

自20世紀(jì)80年代直接轉(zhuǎn)矩控制理論問世以來，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制已經(jīng)成為高性能交流調(diào)速領(lǐng)域中最常見的兩種方法，相比于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制在運(yùn)算中需要的電機(jī)參數(shù)非常少，可以大大減少電機(jī)參數(shù)波動對控制性能的影響。傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)計(jì)算復(fù)雜并且轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動較大，電流畸變較多，系統(tǒng)控制存在延時(shí)，嚴(yán)重阻礙系統(tǒng)的有效應(yīng)用。本文研究了一種三相異步電動機(jī)模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制（model predictive direct torque control，MPDTC）方法，可以提高系統(tǒng)性能，避免電流出現(xiàn)較大毛刺，同時(shí)減少轉(zhuǎn)矩、磁鏈脈動。

1 模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

1.1? ? 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)特點(diǎn)

直接轉(zhuǎn)矩控制采用兩點(diǎn)式轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)控制器，相應(yīng)變量分別是Te和ψs，輸出的外部電壓直接由脈寬調(diào)速器中的兩個(gè)控制信號產(chǎn)生，省去了旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換和電流控制環(huán)節(jié)。這使控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加簡單，定子磁鏈ψs被選為控制變量，此時(shí)，不管轉(zhuǎn)子相關(guān)參數(shù)的變化幅度有多大，都不會影響到磁鏈的估算模型，控制系統(tǒng)能得到更好的魯棒性。電機(jī)由直接轉(zhuǎn)矩控制，因此當(dāng)增速、降速或負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)可以獲得實(shí)時(shí)響應(yīng)。然而，為了避免損壞電源裝置，必須限制電流瞬間突變，因此實(shí)際轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是有限的。但是直接轉(zhuǎn)矩控制因缺少電流閉環(huán)，給電流飽和控制和保護(hù)造成了不便。

1.2? ? 模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.2.1? ? 系統(tǒng)原理

1.2.2? ? MPDTC控制方法

模型預(yù)測控制歸結(jié)起來有預(yù)測模型、有限時(shí)域滾動優(yōu)化和反饋校正3個(gè)基本特征。

模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制是由一個(gè)內(nèi)部的控制器（MPDTC）和一個(gè)外部PI調(diào)節(jié)器組成。MPDTC通常采用的方法是構(gòu)建一個(gè)目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型，然后利用該模型尋找最適合的變量，即電壓矢量，通過電壓矢量的調(diào)節(jié)，從而抑制電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子和定子的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，也可以在該模型中設(shè)置一個(gè)變量因子，通過改變該變量因子來更好地選擇電壓矢量。這個(gè)變量因子的改變不是隨意的，而是根據(jù)系統(tǒng)的工作特性來決定的。

要想在系統(tǒng)中應(yīng)用MPDTC算法，還必須保證該系統(tǒng)模型建立的正確性，定子線圈的磁通量是不能直接測量得到，必須先做一個(gè)估計(jì)，所以該算法可以大致分為3個(gè)階段：估計(jì)、預(yù)測以及優(yōu)化。當(dāng)然，磁鏈的值也是需要估計(jì)和預(yù)測的。

2 三相異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體仿真

本文采用MATLAB/Simulink搭建了如圖2所示的模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制框圖。

為了驗(yàn)證模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制（MPDTC）控制方法的效果，將其與傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法分別進(jìn)行仿真，對比其控制效果。模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真圖、傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真圖分別如圖3、圖4所示。

仿真實(shí)驗(yàn)所用的參數(shù)為：給定電壓500 V，定子相電阻2.875 Ω，磁鏈0.175 Wb，電樞電感0.001 53 H，極對數(shù)4，step1設(shè)置的階躍時(shí)間0.5 s，初始值1 000，終值1 500。傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩如圖5所示，模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩如圖6所示。

3 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制計(jì)算復(fù)雜并且轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動較大、電流畸變較多等問題，提出了一種通過優(yōu)化預(yù)測轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈參考值，改進(jìn)目標(biāo)函數(shù)的模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制方法，在MATLAB/Simulink模塊中分別對模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制和傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電動機(jī)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明：采用模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制比傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的三相異步電動機(jī)具有快速響應(yīng)特性，能夠快速跟蹤給定值，而且可以減少轉(zhuǎn)矩脈動和磁鏈脈動，以免電流毛刺的出現(xiàn)，因此MPDTC控制三相異步電動機(jī)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能，可以預(yù)見在不久的將來，三相異步電動機(jī)模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制方法一定會得到更加廣泛的應(yīng)用。

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收稿日期：2020-09-24

作者簡介：蔣玲（1974—），女，安徽桐城人，碩士研究生，副教授，從事控制工程及汽車零部件生產(chǎn)裝備設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。