离散电流控制在地铁永磁牵引系统中的应用

在地铁永磁牵引系统中,输出电压较高、电流较大,开关损耗和散热等条件受到限制,牵引逆变器的最高开关频率通常只有几百赫兹,而地铁永磁同步电机(PMSM)的调速范围较宽,输出频率可达300 Hz,载波比的变化范围较大.在这种情况下,常规电流比例积分(PI)控制器性能较差,难以满足系统要求.为此,根据复矢量分析方法,建立了包含延时影响的离散数学模型,在此基础上,设计离散电流控制器.通过仿真及在西安地铁2号线装车进行试验,试验结果表明基于复矢量的离散电流控制器在地铁PMSM运行过程中具有较好的动态及稳态性能,转矩(励磁)反馈电流均能较好地跟随转矩(励磁)给定电流,并且在牵引、制动过程中,电压和电流稳定变化,无明显振荡.     

基于复矢量的异步电机电流环数字控制

定子电流环控制在异步电机矢量控制系统占有非常重要的地位,直接关系牵引系统的转矩控制快速性和系统稳定性。然而,在大功率牵引传动系统中,为了降低开关器件的损耗,往往牵引逆变器的开关频率只有几百赫兹,这使得电流环带宽受限;另一方面控制环路中存在较大的延时,加剧了交流感应电机dq轴电流的交叉耦合程度,进一步降低了电流环的性能,严重时甚至导致系统不稳定。为了克服这些问题,进一步提高牵引感应电机的动态性能,首先在复矢量概念基础上,建立精确的含有延时在内的逆变器供电的异步电机的离散数学模型,接着分析了延时对异步电机数字矢量控制的影响,得到了克服延时的控制思路。在此基础上,在离散域中利用零极点对消原理,得到基于复矢量的电流数字控制算法。实验结果表明,在电机低开关频率数字矢量控制系统中的电流环中引入基于复矢量的纯数字控制算法,有效提高了电机的动态性能。     

低开关频率下异步电机电流环的数字控制

电流环数字控制在异步电机矢量控制系统中占有非常重要的地位,其性能的优劣直接影响电机转矩与磁链解耦控制效果、输出转矩响应速度,甚至牵引变流器–异步电机系统稳定性。而在大功率传动系统中,为降低开关器件损耗,牵引变流器开关频率通常较低,从而产生较大数字控制延时,加剧电机定子电流励磁分量与转矩分量之间的耦合程度。为解决上述问题,文章全面分析异步电机耦合因素,结合零极点对消原理提出一种改进型离散电流控制器,在离散时间域下,不仅确保电流环系统具有良好的动态响应,而且可以实现定子电流转矩分量与励磁分量的有效解耦。模型仿真与实验验证了改进型离散电流控制器的有效性与可行性。     

一种简单的异步电动机直接转矩控制方法研究

在基于开关表的直接转矩控制(ST-DTC)方法的基础上,通过PI调节得到补偿定子磁链和转矩误差的参考电压矢量,利用空间电压矢量调制(SVM)技术将相应的参考电压矢量转化为逆变器开关信号以实现对异步电机的控制。在Matlab/Simulink中建模仿真后发现,这一方法能固定逆变器开关频率并降低转矩和电流脉动,低速性能也较传统DTC方法更为优越,控制简单有效。     

基于主动磁链修正的异步电机六拍转矩控制方法

为了提高异步电机直接转矩控制(DTC)系统弱磁升速性能,提出了一种基于主动磁链修正的异步电机六拍转矩控制方法。首先分析了传统异步电机直接转矩实现机理,并指出DTC内在固有的过调制特性;在此基础上,为了进一步提高DTC系统转矩输出能力,介绍了基于主动磁链修正的六拍转矩控制的实现过程,其经过了三矢量、两矢量和单矢量的演变,对应定子磁链由运行磁场由圆形变化为六边形。最后,基于45 k W高速异步电机样机平台进行测试与分析,结果表明主动磁链修正的DTC可有效拓宽电机恒转矩运行区域。同时,弱磁升速过程中驱动系统的电压、电流均运行于最大值,保证了逆变器的最大利用率和最大转矩输出能力。     

基于偏差解耦矢量控制的地铁牵引试验台设计

提出了一种基于偏差解耦矢量控制的能量回馈型地铁牵引试验台的设计方案.该方案较好地解决了电机定子电压交直轴分量的耦合问题,进而实现定子电压转矩与励磁分量独立控制.系统上采用双逆变器-电机联合控制策略,实现牵引机车真实负载的模拟.仿真结果证明,基于偏差解耦矢量控制的能量回馈型地铁牵引试验平台具有较好的动态性能,能够很好地模拟地铁机车的运行过程.     

低开关频率下永磁同步电机无差拍矢量控制

永磁同步电机(PMSM)在低开关频率下运行时会出现诸多问题,不能满足工业生产要求。对此,提出一种无差拍矢量控制策略,在分析了PMSM数学模型的基础上,设计了无差拍电流预测模型和指令电压计算模块,由以上两个模块可构成无差拍电流控制器,无差拍电流控制器输出电压指令信号并将其送入脉宽调制(PWM)模块生成开关信号驱动逆变器。通过实验证明,无差拍矢量控制策略控制性能良好,能有效降低电流谐波,加快转速响应,抑制转矩脉动。     

异步电机弱磁区转矩最大化策略

异步电机工作在弱磁区时,转矩随着转速的升高急剧下降,在转子磁场定向系统中,充分利用电机和逆变器的最大电压、电流限制,无需d轴电流控制器,通过调节q轴分量,稳定高速失步状态,实现弱磁区转矩最大化。异步电机在电压极限状态遇到干扰时,通过旋转定子电压矢量产生动态电压边缘,提高系统的瞬态响应。当异步电机运行在弱磁区,铁损增大,影响电机的磁链水平和转矩输出,引入铁损补偿机制,确保弱磁区的转矩最大化。仿真和实验证明,该控制系统能实现异步电机弱磁区转矩最大化,且具有很强的鲁棒性。     

拍频抑制算法在200km/h动车组中的应用

在动车牵引系统中,由于采用单相四象限整流器,会在中间直流电压中产生频率为100 Hz的二次脉动谐波分量,由此引发逆变器拍频现象,从而影响牵引系统的稳定性。为此,在分析了拍频现象产生机制及对电流影响的基础上,提出基于角速度补偿的拍频抑制算法和调制度修正方法,然后将其应用于牵引异步电机的控制系统中。通过Simulink仿真及试验进行验证,结果表明,基于角速度补偿的拍频抑制算法和调制度修正方法应用在牵引异步电机控制系统中具有较好的性能,定子频率为100 Hz附近的低频谐波含量明显降低,低频振荡得到有效抑制,拍频电流较小。     

基于TMS320F28377D的复矢量电流控制器研究

牵引逆变器受开关频率的限制,电流控制器的带宽也随之受限,作为异步牵引电机矢量控制关键环节,电流控制器对系统的动态性能以及稳定性具有重要影响。矢量控制中电机电流经过坐标变换后dq轴电流存在严重的交叉耦合,并且耦合分量随着定子频率的增加不断增大,从而降低了电流控制器的性能。为了提高电机动态控制性能,实现解耦控制,基于TMS320F28377D提出了一种复矢量电流控制器,该方法可以满足控制算法和调制策略在一个CPU的两个核中独立运行,提高了程序运行的可靠性和高效性,采用虚拟电阻解决了不同调制方式下电流震荡问题,保证了电机运行的动态性能和稳定性,可有效改善解耦效果,仿真和实验结果表明了复矢量电流控制器的可行性和有效性。     

基于三电平逆变器的异步电机矢量控制研究

矢量控制使异步电机转子磁链与转矩解耦,可实现对转速、转矩和位置的精确控制,使异步电机具有与直流电机一样的控制特性。三电平逆变器比传统的两电平逆变器有更多的开关状态,有利于输出电压正弦化和向高压大容量发展。研究了基于三电平逆变器的异步电机矢量控制,在参考电压矢量的合成时,选择只包含PO状态的矢量作为起始矢量,既保持了中点电位的平衡,又消除了扇区切换时矢量突变问题。仿真结果表明电机动态、稳态性能优越。     

电力牵引传动系统的三电平直接转矩控制算法的半实物实验研究

针对高速动车组中三电平二极管中性点钳位(NPC)逆变器供电的牵引传动系统,探讨了一种基于PI控制器和60°坐标系空间矢量调制算法(SVPWM)的异步牵引电机低速域的直接转矩控制(DTC)驱动方案。直接转矩控制性能好坏的决定因素之一就是磁链观测器的准确性,为了获得较好的转矩控制性能,本文首先采用了一种改进U-I积分模型为定子磁链观测器,并给出了基于PI控制器的转矩控制器和磁链控制器设计方案;然后给出了60°坐标系下SVPWM算法的详细设计方案,与传统的SVPWM相比,该SVPWM能够有效地减小计算时间,并在此基础上,通过调节中点电位平衡因子的大小来分配冗余小矢量的作用时间,以达到平衡直流侧两电容上电压的目的;最后,通过基于Maltab/Simulink软件的仿真研究和TMS320F2812与dSPACE的高速动车组牵引传动半实物实验台的实验研究,验证了基于PI控制和60°坐标系SVPWM的三电平直接转矩控制算法的有效性和可行性。     

高速动车组牵引传动控制系统的研究与仿真

采用三电平空间电压矢量控制的转差频率矢量控制系统,建立高速动车组牵引传动仿真系统;为了实现动车组在0～250km/h范围内任意速度下稳定运行,设计出一种基于双滞环调节的恒速控制器。引入控制变量k,通过牵引、恒速、再生制动控制之间的平滑切换,防止在不同控制方式之间切换时引起较大的转矩、磁通和电流波动;仿真模拟了动车组在运行过程中牵引、恒速(包括惰行)和再生制动工况,Matlab/Simulink仿真结果表明系统具有良好的稳态性能和动态性能,满足高速动车组运行要求。     

Digital current regulation of field-oriented controlled inductionmotor based on predictive flux observer

A new technique based on deadbeat control theory is proposed to control induction motor stator currents under field-oriented control. Stator currents and motor speed were measured. Rotor fluxes are predicted using a state observer with variable poles selection. Then, the pulse-width-modulated (PWM) pattern of the inverter is controlled such that the stator currents are exactly equal to the reference currents at every sampling instant. From the theoretical analysis, digital simulations, and experimental results, the following conclusions were made. The deadbeat controller permitted low current ripple with lower switching frequency, which, in turn, resulted in low torque ripple. The predictive state observer made possible the estimation of rotor flux with very low sensitivity to parameter variation and then contributed to performance improvement of conventional vector control     

大功率异步牵引电动机在全速范围下的直接转矩控制

为了满足大功率牵引电动机在全速度范围内的快速转矩响应,并克服电机参数变化对系统的影响,提出了一种牵引电动机的直接转矩控制策略,低速时采用圆形磁链控制,以减小转矩脉动;高速时采用六边形磁链控制,以减小逆变器开关频率,并优化选择零电压矢量,采用速度和磁链容差切换的控制方式实现六边形磁链与圆形磁链的平滑过渡。仿真结果表明,该控制方法能够实现转矩的快速动态响应,保证了控制精度,在大功率交流调速中具有一定的参考价值。     

面装式永磁同步电机无差拍直接转矩控制

为解决永磁同步电机传统直接转矩控制脉动大、开关频率不恒定,以及现有永磁同步电机无差拍直接转矩控制计算复杂、电压矢量解不唯一的问题,在电压源逆变器受限的情况下,针对表贴式永磁同步电机提出了一种简化无差拍直接转矩控制,计算出的电压矢量由空间电压矢量脉宽调制方法实现,保证逆变器开关频率恒定,该方法计算简单,无需计算二次方程。考虑到控制系统的延时,对电流进行预测计算,同时为提高定子磁链和电磁转矩的计算精度,设计采用观测器方法对定子磁链观测。仿真和实验结果表明,永磁同步电机的转矩和磁链脉动明显减小,动态性能好。     

Improved Torque and Flux Performance of Type-2 Fuzzy-based Direct Torque Control Induction Motor Using Space Vector Pulse-width Modulation

The conventional proportional integral controlled direct torque control of an induction motor using the space vector pulse-width modulation technique may provide satisfactory dynamic response. However, the proportional integral controller (PIC) does not provide efficient dynamic performance in the induction motor drive during sudden changes in the load or speed. To improve dynamic performance of the induction motor drive, the PICs are replaced by type-2 fuzzy logic control. The type-2 fuzzy improves the starting transient performance as well as the steady-state response. In addition, the type-2 fuzzy direct torque control provides lesser current total harmonic distortion, flux distortion, and torque pulsation of the induction motor drive compared to conventional direct torque control. A MATLAB Simulink (The MathWorks, Natick, Massachusetts, USA) model for direct torque control with type-2 fuzzy logic control is developed to simulate the response of an induction motor drive with different operating conditions. The space vector pulse-width modulation technique is used to drive the inverter, as it produces lesser total harmonic distortion in inverter current and voltage waveforms for a given switching transition due to the single switching frequency for the movement of each state vector. A prototype type-2 fuzzy-based direct torque control induction motor with space vector pulse-width modulation is developed to validate the simulated response. The control signals for the inverter are generated by the DSPACE DS1104 (DSPACE GmbH, Germany) to drive a two-HP induction machine.     

Direct torque control of induction machines using space vectormodulation

A direct induction machine torque control method based on predictive, deadbeat control of the torque and flux is presented. By estimating the synchronous speed and the voltage behind the transient reactance, the change in torque and flux over the switching period is calculated. The stator voltage required to cause the torque and flux to be equal to their respective reference values is calculated. Space vector PWM is used to define the inverter switching state. An alternative approach to deadbeat control for use in the transient or pulse-dropping mode is also presented. An alternative modulation scheme is presented in which transient performance is improved by specifying the inverter switching states and then calculating the required switched instants to maintain deadbeat control of the flux while reducing the torque error during the entire switching interval. A similar approach is used for a transient in the flux. The implementation of the control scheme using DSP-based hardware is described, with complete experimental results given     

基于优化PWM的定子磁链轨迹跟踪控制研究

在异步电机的高性能控制方案中,为了降低开关损耗,采用优化脉宽调制(PWM)实现低开关频率下较小的电流谐波畸变。但在调制模式频繁切换时,优化PWM会产生电流和转矩冲击。因此,研究了将优化脉冲在线移位的闭环定子磁链轨迹跟踪控制方法,提出了由基于自控电机的降阶观测器与电机电流模型观测器组成的双观测器模型,实现了基波分量观测。结合电流谐波最小脉宽调制（CHMPWM）开关角,利用其重构参考磁链与实际磁链的差值,实现定子磁链轨迹跟踪。提出了无差拍下修正开关角小于2时的脉冲模式调整方案,消除了系统的动态调制误差,实现了低开关频率下异步电机的高性能控制。在开关频率为300 Hz以下的NPC型三电平逆变器上的仿真和试验证明了定子磁链轨迹跟踪控制策略的有效性。