基于伪降阶观测器的并联双感应电机矢量控制系统仿真.pdf

书书书 第 卷 增刊 吉 林 大 学 学 报 工 学 版 年 月 收稿日期 基金项目 国家高技术研究发展计划项目 作者简介 吴仲辉 男 硕士研究生 研究方向 自动控制 基于伪降阶观测器的并联双感应电机 矢量控制系统仿真 吴仲辉 张舟云 贡 俊 上海电驱动有限公司 技术中心 上海 摘 要 针对交流感应电机在车辆牵引控制领域的应用 在保证并联电机系统结构尽可能简单 的条件下 提出了基于伪降阶观测器的并联双感应电机无速度传感器矢量控制系统 采用伪降 阶观测器来辨识并联电机的转速 最后 运用 搭建系统模型 并与单逆变器 驱动单台电机的性能进行对比分析 验证了本文方法的可行性 关键词 自动控制技术 并联电机 矢量控制 伪降阶观测器 无速度传感器 系统仿真 中图分类号 文献标志码 文章编号 交流传动技术是车载牵引动力系统的核心技 术 其发展目标一直是致力于改善车辆牵引和电 制动性能 提高系统运用可靠性和能源的有效利 用率 减少对环境的影响 降低运营成本 更好地 满足市场的需求 世界范围的能源紧缺与节能环 保的发展需求使得电动汽车成为汽车工业发展的 重点 交流传动技术已成为电动汽车电传动系统 的首选 目前 交流牵引电机普遍采用了磁场定向矢 量控制 或直接转矩控制方法 结合现代控 制理论和计算机技术领域的新成果应用 牵引传 动控制水平不断提升 通常情况下 单台逆变器 控制单台交流牵引电机调速系统 如果能够实现 单逆变器控制两台或多台交流牵引电机 这样能 够减轻牵引传动系统质量 减小体积与成本 世纪 年代 等第一次提出基于动态模 型的单逆变器控制并联双感应电机系统的控制策 略 无论在稳态还是动态 该控制方法都能获得良 增刊 吴仲辉 等 基于伪降阶观测器的并联双感应电机矢量控制系统仿真 好的转矩响应 近年来 并联多电机系统控制 策略的研究引起了越来越多的学者的关注 如 等采用非线性控制方法 研究了单逆变器 控制并联多感应电机系统 日本学者 等运用无速度传感器控制技术 采用全阶自适应 观测器 消除原来系统的速度传感器和磁链传感 器 最近 等提出单逆变器控制并 联双感应电机的转子磁链反馈控制方法 文献 研究了基于平均转子磁通进行定向的矢量控 制策略并进行仿真分析 文献 研究了基于动 态模型的并联双感应电机的无速度传感器控制技 术 对于两台驱动电机的场合 单逆变器驱动单 台电机的控制策略虽然简单 易于实现 但是占用 了车体更多的空间 采用并联电机控制策略在不 增加控制系统结构复杂性和满足车用要求的前提 下 减小了控制器的体积 同时 去掉速度传感器 对降低控制系统复杂性和成本 提高了可靠性 本文在保证并联多电机系统结构尽可能简单的条 件下 提出采用伪降阶观测器来辨识并联多电机 的转速 设计了基于伪降阶观测器的并联双感应 电机 无速 度传 感器 矢 量 控 制 系 统 用 搭建系统模型 并与单逆变器驱动单台 电机的情形进行仿真研究和对比分析 自适应伪降阶磁链观测器 在自适应控制系统设计中 辨识感应电机的 转速可采用全阶自适应磁链观测器 和伪降阶 自适应磁链观测器 等方法 伪降阶自适应磁 链观测器的突出优点是其极点与感应电机的转速 无关 与全阶自适应观测器相比 计算时间短 速 度和转矩响应快 为获得伪降阶自适应磁链观测 器 利用交流感应电机在两相静止参考坐标系下 的状态方程 式中 为定子电流 为 转子磁链 为定子电压 分别 为定子 转子电阻 分别为定子 转子自感 为互感 为漏感系数 为转子时间常数 为转子角频率 以定子电流和转子磁链为状态变量 交流感 应电机的伪降阶自适应观测器描述如下 式中 为估计值 为自适应伪降阶观测器增 益矩阵 增益矩阵 通过极点 配置得到 其中 为 任意常数 感应电机的转子速度通过 稳定性 理论推导出自适应率 于是得到辨识速度为 式中 为定子电流误差 为估计转子 磁链 为任意正常数 并联感应电机的数学模型 并联双感应电机的电流模型 采用单逆变器控制两台并联的感应电机 如 果两台感应电机的参数和转速均是不相同的 那 么流入每台感应电机的定子电流是不平衡的 因 而 通过单逆变器直接控制定子电流是十分必要 的 图 为并联双感应电机的电流模型框图 图 并联双感应电机的电流模型框图 从逆变器流出的电流 分为两部分 流入 感应电机 流入感应电机 是定子电流 和 的平均值 是定子电流 和 的差 值 当两个感应电机的负载不平衡时 定子电流 吉 林 大 学 学 报 工 学 版 第 卷 与 不相等 由于 是逆变器输出电流 的 一半 因此可以作为逆变器的控制量 并联双感应电机的转子磁链模型 在同步旋转 参考坐标系下 感应电机的 转子磁链方程为 式中 为定子电流 为转子磁链 为转子时间常数 为转子 电阻 为转子自感 为同步角频率 为转子 角频率 感应电机 和 的转子磁链方程均用方程 表示如下 联立方程 得到如下方程 式中 如果两台电机的参数和转子速度相同 则方 程 与 一致 此时 两台电机可以作为单电机 处理 并联双感应电机的转矩模型 在旋转参考坐标系中 感应电机的转矩表示 如下 式中 表示极对数 为互感 将方程 分别应用到电机 和电机 类 似于并联双感应电机的转子磁链模型的推导 可 以得到如下方程 式中 当两台感应电机的参数相同时 是 的 函数 方程 与 具有相同的形式 因此 两 台电机可以作为一台电机的情况处理 当两台感 应电机负载不同时 通过式 来均匀分配负载 转矩 并联双感应电机的矢量控制策略 在旋转坐标系下并联双感应电机的矢量图如 图 所示 和 表示感应电机的转子磁链 表示两台感应电机转子磁链的平均值 表示两台感应电机转子磁链差值的一半 根据转 子磁场定向控制原理 在同步旋转坐标系中选取 平均磁链 的方向与 轴正方向一致 图 双感应电机的矢量图 在方程 中 将 和 分解成 轴和 轴 分量 在转子磁场定向下的转子磁链表示如下 从式 可以得到控制平均转子磁链的参考 电流 如下 将方程 中 和 分解成 轴和 轴分 量 在转子磁场定向下转矩方程表示如下 从式 可以得到控制平均转矩的参考电流 如下 增刊 吴仲辉 等 基于伪降阶观测器的并联双感应电机矢量控制系统仿真 式中 表示参考值 表示估计值 系统结构框图 本系统采用磁场定向控制实现对交流感应电 机的控制 并联双感应电机矢量控制系统框图如 图 所示 图中 为转子磁链差值的估计 值 为转子磁链均值的估计值 分别为 电机 和电机 转子磁链的估计值 电机的转子 磁链与转矩辨识分别由式 得到 轴 轴电流计算分别由式 得到 图 中 为了简化计算过程 不直接计算平均 转子磁链的位置角 而是采用静止两相参考坐标 系中辨识的并联双感应电机的平均转子磁链直接 计算平均转子磁链的位置角的正弦值和余弦值 便于建模和仿真 图 并联双感应电机矢量控制系统框图 仿真及结果分析 某应用于电动汽车的牵引电机最大输出功率 额定工作电压 具体电机参数为 采用转矩闭环的控 制方式 牵引逆变器开关频率 最大调 制深度 采用参数相同的双感应电机进行 仿真对照 两台感应电机负载转矩均为空载 以额 定转矩启动 启动 后电机的给定速度从 降到 采用本文方法辨识的并 联电机和单逆变驱动单电机的速度响应曲线和定 子电流曲线如图 和图 所示 图 并联电机的给定转速跃变时的响应曲线 图 单逆变器驱动单电机的响应曲线 由图 和图 可以看出 当转速跃变时 本文 提出的矢量控制方案辨识的转速响应曲线和定子 电流变化曲线与单逆变器驱动单电机的响应曲线 十分接近 而且本方案结构简单 能够减少控制系 统的体积 结束语 给出了并联感应电机矢量控制方案 实现了 参数相同或相近的感应电机控制 相对于单逆变 吉 林 大 学 学 报 工