理论教育 基于同步优化脉冲调制的闭环控制技术优化方案

基于同步优化脉冲调制的闭环控制技术优化方案

时间:2023-07-01 理论教育 版权反馈
【摘要】:在3.3.4节介绍了三电平SHEPWM调制技术,SHEPWM是一种同步优化脉冲调制技术。如何将具有优异稳态性能的低开关频率同步优化脉冲调制用于高性能闭环电机控制一直是学术界和工业界普遍关心的课题。限于篇幅,本节仅对基于同步优化脉冲调制的闭环控制做简单介绍,以达到开阔视野和启发思考的目的,更详细的有关磁链和电流轨迹跟踪控制的内容可以见参考文献[70,71]。

基于同步优化脉冲调制的闭环控制技术优化方案

在3.3.4节介绍了三电平SHEPWM调制技术,SHEPWM是一种同步优化脉冲调制技术。其特点是在一个基波周期内对管子开通关断的时刻(或者说开关角度)进行优化,达到消除指定次谐波的目的。实际中还有以电流谐波最小[66]效率优化[67]、转矩脉动减少[68]等为目标来优化求解开关角度的同步优化调制方法。尽管同步优化脉冲调制可以获得优异的稳态性能,但由于它是基于一个基波周期对开关角度进行的优化,因此一般只用于稳态或准稳态,如在高压大容量三电平变频器中就可以采用SHEPWM等优化脉冲调制方法[69]

对于高性能电机闭环控制系统,由于基波的频率、相位和幅值可能随时都在变化,不能简单地中途随便改变开关角度,否则会引起PWM波形紊乱,从而导致过电流。如何将具有优异稳态性能的低开关频率同步优化脉冲调制用于高性能闭环电机控制一直是学术界和工业界普遍关心的课题。1993年,德国学者Holtz教授首次提出了电流轨迹跟踪控制方法[70],其原理是根据同步优化脉冲推导得出优化的稳态电流轨迹,然后采用轨迹跟踪控制使实际定子电流尽量跟踪优化的参考轨迹电流。在电机动态过程中,相应的电流参考轨迹会发生变化,正如前面所说,不能把开关时刻直接改变成新型电流参考轨迹所对应的开关时刻,否则会出现过电流。Holtz在参考文献[70]中指出,通过对开关时刻进行尽可能小地改动,使得实际电流能尽快地跟踪到新电流参考轨迹,从而将动态过程中可能的电流紊乱降低到最小,实现快速的电流响应。该方法在30kW的交流传动系统上得到了验证,但其仍然存在不足之处,如电流轨迹与电机参数尤其总漏抗相关。另外,负载条件的改变也会影响电流轨迹。

为了消除电机参数的影响,Holtz在2007年又进一步提出了磁链轨迹跟踪控制[71]。由于在中高速时磁链主要取决于定子电压,受定子电阻和其他电机参数的影响较小,磁链轨迹跟踪控制相比电流轨迹跟踪控制具有更好的参数鲁棒性。参考磁链轨迹可以直接对同步优化脉冲电压积分得到,通过控制实际定子磁链跟踪参考磁链轨迹,可以消除动态过程中可能的电流紊乱。该方法需要一个观测器来建立闭环控制,通过观测器来实时得到定子电流和磁链的基波分量,为此Holtz建立了一个“自控电机”模型来得到只含干净基波的定子电压、电流和磁链等物理量。基于磁链轨迹跟踪控制的闭环调速系统已经在30kW和2MW工业传动上得到验证,它通过改变PWM波形的前后沿开关角度来实现快速的动态响应,既能在稳态时减少谐波,又能在动态过程中通过修正开关角度来避免PWM紊乱和系统过电流,是一种适合大容量变频器的低开关频率高性能控制方法。其不足之处是控制复杂,计算量较大,而且需要存储大量的同步优化脉冲调制的开关角度。(www.daowen.com)

开发完全在线实现(不需要优化开关角度存储)、具有优异稳态性能和快速动态响应控制的低开关频率高性能闭环控制仍然有很多工作要做。限于篇幅,本节仅对基于同步优化脉冲调制的闭环控制做简单介绍,以达到开阔视野和启发思考的目的,更详细的有关磁链和电流轨迹跟踪控制的内容可以见参考文献[70,71]。

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