讲稿-轨迹跟踪

低开关频率中压传动的定子磁链轨迹跟踪控制天津电气传动研究所马小亮Ⅰ.概述基于高压大功率器件的两电平和三电平变频器(PWM整流和逆变器)传动已得到广泛应用。特点：降低开关频率以增大输出。(EUPEC6.5KV600AIGBT)fs从800Hz降至200Hz，输出电流大约增加一倍。Ⅰ.概述低开关频率带来的问题：•电流谐波大(不宜用常规PWM策略)；•动态响应慢(常规VC要多个开关周期)；•d、q轴控制交叉耦合。a)PI调节b)PI调节+前馈解耦补偿Ⅰ.概述解决办法：•用同步对称优化PWM策略解决谐波问题。•用定子磁链跟踪控制(FTTC)解决如何把优化PWM用于快速系统问题。•用基于FTTC的闭环调速解决响应及耦合问题。基于FTTC的闭环调速系统是一种与DTC和常规VC都不同的新调速系统，用于M0.3场合。Ⅱ.同步对称优化PWM问题随fs降低，每个输出基波周期中的PWM方波数(FR)减少，用常规的SPWM或SVPWM产生PWM信号，输出波形中谐波太大，无法正常工作。解决办法采用同步对称优化PWM同步FR=整数，(常规PWM是异步调制)对称1/4周期左右对称和1/2周期正负半周对称，优化PWM指定谐波消除法(SHE-PWM)，消除N-1个特征谐波(N是1/4周期开加关次数)，第一个未消除谐波被放大，需解N维三角函数联立方程；电流階波最小法(CHM-PWM)，所有电流谐波THD最小，需用遗传算法。(两种优化PWM都有简单的近似算法)Ⅱ.同步对称优化PWMfs=200Hz常规SVPWM和CHM-对称和不对称THDPWM的三电平逆变器波形图(a)同步不对称，(b)同步且对称Ⅱ.同步对称优化PWM同步对称优化PWM的应用离线计祘开关角ai(i=1…12N)，存于表P(M,N)中，工作时根据输入电压矢量u*调用。f1用来把ai角变换成时间ti，ti=ai/ws=ai/2pf1(ws是定子角频率)。控制框图Ⅱ.同步对称优化PWM该控制框图只适用于V/F调速系统，稳态运行工况，一个基波周期更换一次P(M,N)表中数据。高性能系统要求在任意时刻更换P(M,N)表中数据，给系统带来冲击，造成过流。定子电流矢量轨迹图Ⅱ.同步对称优化PWM产生冲击的原因定子磁链初始值不对。设原来按表中P1组角度工作，在t=t2时改成按P2工作而P2对应的稳态期望磁链为由于二式初始条件不同，使实际磁链偏离期望磁链，产生动态调制误差矢量d，它按定子暂态时间常数衰减。连续更改调用值，误差积累将导致系统故障。)()(2)1()2()2(2tdttttsssssψuψ)()(2)2()2()2(2tdttttssssssψuψⅢ.定子磁链轨迹跟踪控制(FTTC)FTTC解决如何把优化PWM用于快速系统问题。在暂态根据期望的定子磁链矢量与实际的定子磁链矢量(观测值)之差d修正P(M,N)表中的开关角，避免冲击。Ⅲ.定子磁链轨迹跟踪控制(FTTC)稳态期望磁链通过积分按P(M,N)表中角度再造的电压矢量获得。(tc—调用开始时刻)为减少长时间积分带来的计算困难和累积误差，把每个ai角对应的稳态期望磁链(ti)也离线算好，存在P(M,N)表中，一起调用。积分初始值(ti=ai/ws是领先tc的第i个开关角ai对应时刻)时间差tc-ti很短，避免了长时间积分。ssussψ)()(ctttdttcssssssψuψssψ)()(ittctdttcissssssψuψⅢ.定子磁链轨迹跟踪控制(FTTC)实际的定子磁链来自按转子磁链定向的异步电动机电流模型。sψˆ)F()F()F(ˆˆsrsiψψsrlkⅢ.定子磁链轨迹跟踪控制(FTTC)动态调制误差d用以修正P(M,N)表中ai，使d趋于最小。磁链误差是PWM波形的伏-面积误差，可以通是改变PWM开关时刻来修正。采样和修正周期为Tk=0,5ms(小于PWM开关周期)，在这周期中若某相存在PWM跳变，便修正它的跳变时刻，无跳变便不修正。修正的原理：•对于电压正跳变(标记为s=+1)，若跳变时刻推后Dt0，则伏-秒面积减小，反之则伏-秒面积增加；•对于电压负跳变(标记为s=-1)，若跳变时刻推后Dt0，则伏-秒面积增加，反之则伏-秒面积减小；•若无跳变，标记为s=0。Ⅲ.定子磁链轨迹跟踪控制(FTTC)以a相为例，若在Tk中存在n次跳变，其中第i次跳变的时间修正量Dtai为，则在Tk中a相动态调制误差的修正量为d矢量在abc三相坐标系的三个分量即三相侍修正误差量，代入上式可算出各相应修正的时间。DDniaiaidatsud13Ⅲ.定子磁链轨迹跟踪控制(FTTC)Ⅳ.基于FTTC的闭环调速系统A.“自控电机”VC中输入电压矢量u*(等于PWM输出基波，不含谐波)来自电流调节器输出，含有噪声，把它送至优化PWM，将导致P(M,N)错误调用和修正，系统紊乱。解决办法借助电机观测器建立一个能输出干净u*的“自控电机”。u*不来自电流调节器输出，而是优化PWM输入，观测器输出一个干净的u*’信号，又送回PWM输入，这是一个自我封闭的稳态工作系统，所有输出都是干净的基波值，仅在接受输入扰动信号后才改变工作状态。Ⅳ.基于FTTC的闭环调速系统混合观测器定子模型是降阶观测器，转子模型是转子磁链定向模型(电流模型电流模型)。Ⅳ.基于FTTC的闭环调速系统B.基于FTTC的闭环调速系统引入“自控电机”后系统不能调速，必须通过外环加入扰动矢量才能改变原来的稳定工作状态。基于FTTC的闭环调速系统外环由磁链调节器和转速调节器(两个PI调节器)组成，沒有电流调节器。sΔψⅣ.基于FTTC的闭环调速系统磁链调节器的输出是定子磁链d轴分量给定，由于转子磁链不与q轴耦合，可以通过控制来控制。转速调节器的输出是定子磁链q轴分量给定，由于在恒定条件下，转速和转矩不与d轴耦合，可以通过控制来控制转速和转矩。转矩和电流的限制由该调节器限幅实现。*sdsdsrdrdrkdtdsdrd*sqsqrdsrdlkTrdsqⅣ.基于FTTC的闭环调速系统和合成得定子磁链给定矢量，与来自观测器的比较后得“自控电机”的扰动矢量信号。由于FTTC的跟踪性能好，能很快消除磁鏈误差，从而消除交叉耦合，实现磁链与转矩的分别控制和快速响应。为消除电机参数变化对系统影响，引入2个参数补偿PI调节器，由于电机参数变化缓慢，这2个PI调节的比例系数P很小，时间常数T大。*sd*sq*sψs1ψˆsΔψsΔψⅣ.基于FTTC的闭环调速系统C.30KW样机和1WM工业装置实验结果Ⅳ.基于FTTC的闭环调速系统本调速系统性能优于常规VC。常规VC用电流调节器改变PWM占空比来调节转矩，响应时间需多个开关周期，在低fs下动态解耦效果不好。本系统通过改变PWM波形前后沿角度来调节，响应过程有可在一个开关周期内完成，动态解耦效果好。本调速系统性能也优于TDC。TDC在低开关频率下电流波形谐波大，影响装置出力。Ⅴ.结论1.基于高压大功率器件的变频器要求低开关频率，带来PWM波形谐波大问题。解决谐波问题的办法是采用同步且对称的优化PWM策略。2.优化PWM策略不能直接用于高性能系统，因为它在动态会造成PWM紊乱，系统过流。FTTC技术基于优化PWM，既能减小谐波又能在动态修正开关角，解决如何把优化PWM用于快速系统问题。3.基于FTTC的闭环调速系统是一个既不同于常规VC，又不同于DTC的高性能调速系统，比VC响应快、解耦效果好，比DTC谐波小、输出能力大。谢谢！