基于定子電流矢量定向的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈估計器及其應(yīng)用研究

2017-04-12 11:14:49 大云網(wǎng)　點擊量：評論 (0)

核心提示：　　20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的矢量控制，使得異步電機(jī)的控制性能大大提高。在間接磁場定向的矢量控制中，精確地估計（或觀測）轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和角度是問題的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的磁鏈估計器有電壓型和電流型兩種。電

核心提示：　　20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的矢量控制，使得異步電機(jī)的控制性能大大提高。在間接磁場定向的矢量控制中，精確地估計（或觀測）轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和角度是問題的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的磁鏈估計器有電壓型和電流型兩種。電壓型磁鏈估

　　20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的矢量控制，使得異步電機(jī)的控制性能大大提高。在間接磁場定向的矢量控制中，精確地估計（或觀測）轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和角度是問題的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的磁鏈估計器有電壓型和電流型兩種。電壓型磁鏈估計器依賴于定子電阻，而電流型磁鏈估計器依賴于轉(zhuǎn)子電阻。在電機(jī)運行過程中，定轉(zhuǎn)子電阻會隨著溫升的變化（以及導(dǎo)線的集膚效應(yīng)等）而變化，對估計精度影響很大。近年來，很多學(xué)者提出了降低定轉(zhuǎn)子電阻攝動對磁鏈估計影響的方法。例如，將兩種估計器配合使用，或者改進(jìn)電壓型估計器的純積分環(huán)節(jié)，等等。然而，這些改進(jìn)后的磁鏈估計器中，仍然包含定轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)。

　　本文提出了一種不包含定轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)的轉(zhuǎn)子磁鏈估計器，換言之，定轉(zhuǎn)子電阻的攝動對磁鏈估計器的精度影響甚微。本文從新坐標(biāo)系下異步電機(jī)的基本方程出發(fā)，導(dǎo)出了基于定子電流矢量定向的轉(zhuǎn)子磁鏈估計器。通過數(shù)字仿真，印證了在定轉(zhuǎn)子電阻大幅度攝動時，該估計器仍可保持很高的精度。最后，探討了其在間接磁場定向矢量控制中的應(yīng)用，認(rèn)為該方法可用于異步電機(jī)高性能控制中。

　　2基于定子電流矢量定向的轉(zhuǎn)子磁鏈估計器在靜止（c）坐標(biāo)系中，寫成矢量形式的異步電動機(jī)基本電壓方程和磁鏈方程為中國電機(jī)工程學(xué)報子電阻和電感；iV和Vr為轉(zhuǎn)子的電壓矢量、電流矢量和磁鏈?zhǔn)噶浚粸槎ㄞD(zhuǎn)子互感；叫為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　將定子電流矢量的旋轉(zhuǎn)速度記為1.選擇這樣一個“1-2坐標(biāo)系”，其1軸與4重合，且落后于2軸p/2，并使坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度等于媯。下文中，將以下標(biāo)1、來區(qū)分各個矢量在1軸和2軸上的投影。

　　在該坐標(biāo)系下，矢量形式的異步電動機(jī)的基本電壓和磁鏈方程為因1-2坐標(biāo)系的1軸定向于定子電流矢量is上（如所示），故有：U=|is|，7s2=.據(jù)此，將基本方程（3）、（4）展開，得到可以看到，除了式（5）中的第1式之外，式（5）、（6）中余下的7個方程均不含Rs，下面的推導(dǎo)中只用到這7個方程，所以導(dǎo)出的磁鏈估計器必定不含足。

　　利用式（5）、（6），經(jīng)過簡單地推導(dǎo)，可得式（7）等號兩邊同乘以LmW！，則分別與式（9）等號兩邊，從而得到轉(zhuǎn)子磁鏈2軸分的微分方程假設(shè)￥v20，則可用式（8）除以式（10），得！理后，得到轉(zhuǎn)子磁鏈1軸分量的微分方程或者寫成￥r2=0是系統(tǒng)的一個奇異點，但只在極個別情況（如起動）下才會出現(xiàn)。在仿真和實際工程中，均可以用一個很小的數(shù)代替￥r2的過零點，而不會引入太大的誤差。

　　聯(lián)立式（11）和式（13），就可以得到在定子電流矢量定向后的1-2坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子磁鏈的微分方程組，可以簡潔地表示為1-2坐標(biāo)系中基于定子電流矢量定向的轉(zhuǎn)子磁鏈估計疹下文中稱之為新型磁鏈估計器“），其原理框圖如所示。

　　與傳統(tǒng)的電壓型和電流型估計器不同，式（15）構(gòu)成的新型磁鏈估計器中引入了參數(shù)W1.W1是定子電流矢量的旋轉(zhuǎn)速度，穩(wěn)態(tài)時，它與電源的角頻率相等；動態(tài)過程中，W1的表達(dá)式為利用霍爾傳感器可以得到精度很高的定子電流值新型磁鏈估計器電流型估+器新型磁鏈估計器從和可以看出，由于電流型磁鏈估計器依賴于轉(zhuǎn)子電阻，因此在電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻發(fā)生攝動時，其估計結(jié)果出現(xiàn)了很大的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)誤差。而新型磁鏈估計器不包含轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)，因此估計結(jié)果幾乎不受影響，估計誤差接近于零。

　　電機(jī)在工頻下開環(huán)運行定子電阻增大50%時，新型磁鏈估計器與電壓型磁鏈估計器的估計誤差如和所示。

　　新型磁鏈估計器與電壓型磁鏈估計器的幅值估計誤差新型磁鏈估計器與電壓型磁鏈估計器的角度估計誤差從和可以看出，由于電壓型磁鏈估計器依賴于定子電阻，因此在電機(jī)定子電阻發(fā)生攝動時，其估計結(jié)果出現(xiàn)了很大的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)誤差。而新型磁鏈估計器不包含定子電阻參數(shù)，因此估計結(jié)果幾乎不受影響，估計誤差接近于零。

　　4基于定子電流矢量定向的轉(zhuǎn)子磁鏈估計器在矢量控制中的應(yīng)用從前文可知，基于定子電流矢量定向的轉(zhuǎn)子磁鏈估計器（新型磁鏈估計器）在開環(huán)運行時，有著優(yōu)越的性能。驗證其開環(huán)性能的主要目的是為了將之用于閉環(huán)控制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。

　　在Matlab/Simulink中建立異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)字仿真，電機(jī)參數(shù)如前所述。

　　仿真時，本文采用了傳統(tǒng)的間接磁場定向矢量控制新型磁鏈估計器與電流型磁鏈估計器的幅值估計誤差；在電流信號聲不大時，跟蹤微分器分信號。因此，叫可以通過量測定子電流計算得到。

　　值得注意的是，在推導(dǎo)過程中，通過定子電流矢量定向避開了參數(shù)Rs，又通過剝離含Rr的項，消去了Rr.最終得到的新型磁鏈估計器中，Vr1的表達(dá)式略顯復(fù)雜，但以此可換取消除定轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)。引入的新參數(shù)1隱含了定轉(zhuǎn)子電阻對估計器的作用，這樣就使得估計器不顯含定轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)，從而大大降低參數(shù)攝動對估計精度的影響。

　　3數(shù)字仿真及結(jié)果在Matlab/Simulink中，建立電機(jī)及磁鏈估計器模型。其中，電機(jī)參數(shù)為：Rs載為額定負(fù)載。仿真的初始條件為：t=0時刻，電機(jī)的電流、磁鏈均為0.電機(jī)在工頻下開環(huán)運行，轉(zhuǎn)子電阻增大100%時，新型磁鏈估計器與電流型磁鏈估計器的估計誤差如和所示。

　　新型磁鏈估計器與電流型磁鏈估計器的角度估計誤差中國電機(jī)工程學(xué)報方案，磁鏈幅值指令為1Wb，轉(zhuǎn)速指令為100prad/s.定轉(zhuǎn)子電阻同時攝動，其攝動幅度分別為Mx=50%，MfIOO%.仿真時，使用同一PI控制器，在轉(zhuǎn)子磁鏈的反饋環(huán)節(jié)中，先后采用電壓型磁鏈估計器、電流型磁鏈估計器和新型磁鏈估計器。

　　三種磁鏈估計器的估計值與真值之間的誤差如和所示。

　　電壓型磁鏈估計器新型磁鏈估計器電流型磁鏈估計器轉(zhuǎn)子磁鏈幅值估計誤差這不是本文要解決的主要問題，所以沒有就此進(jìn)行深入探討，但是通過研究可知，電感參數(shù)攝動以及轉(zhuǎn)速計量誤差不大時，新型磁鏈估計器仍可保持良好的性能。如果再加入適當(dāng)?shù)男Ｕh(huán)節(jié)，則可以較好地抑制這些干擾的影響。

　　本文提出的基于定子電流矢量定向的轉(zhuǎn)子磁鏈估計器不包含定轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)，除了在極少數(shù)奇異點之外，均可保持相當(dāng)高的精度。無論是開環(huán)運行還是閉環(huán)運行，當(dāng)定轉(zhuǎn)子電阻發(fā)生較大幅度變化時，估計器性能幾乎不受影響。與傳統(tǒng)的磁鏈估計器相比，新型磁鏈估計器在抗擾動方面具有明顯的優(yōu)勢。有了轉(zhuǎn)子磁鏈的精確估計作為基礎(chǔ)，異步電機(jī)矢量控制的關(guān)鍵問題就得到了解決，各種控制策略就能夠更好的發(fā)揮作用，從而實現(xiàn)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的高性能控制和運行。

責(zé)任編輯：電小二

免責(zé)聲明：本文僅代表作者個人觀點，與本站無關(guān)。其原創(chuàng)性以及文中陳述文字和內(nèi)容未經(jīng)本站證實，對本文以及其中全部或者部分內(nèi)容、文字的真實性、完整性、及時性本站不作任何保證或承諾，請讀者僅作參考，并請自行核實相關(guān)內(nèi)容。

我要收藏

個贊