基于定子磁场定向的异步电机控制算法研究

1、基金项目:国家科技支撑计划课题(2009BAG12A05-08定稿日期:2011-06-28作者简介:倪强(1987-,男,湖南益阳人,硕士研究生,研究方向为电力牵引交流传动及其控制技术。1引言准确的磁场定向是实现高性能异步电机交流调速的前提。间接转子磁场定向控制算法采用励磁电流PI 调节器的方法实现转子磁链控制,由于励磁电流为固定值,未构成闭环转子磁链,因此该算法的磁链动态品质较差1,且对转子时间常数依赖大。直接转子磁场定向控制算法,实现了转子磁链闭环控制,但由于存在磁链PI 调节器,磁链有一定延时,动态性能不高2,且该算法仍受转子时间常数影响。基于定子磁场定向控制的传统算法,加入了解耦器实

2、现转矩与磁链完全解耦,但估计磁链容易出现偏差,动态调节时解耦器不能完全补偿q 轴电流影响不能完全解耦,动态磁链会出现波动,该算法还引入了定子电感参数3,加大了对电机参数依赖。此处探讨了一种基于d 轴电流直接求解的定子磁场定向控制算法,该算法具有磁链波动小、对电机参数依赖小的特点4-5。最后通过计算机仿真和基于TMS320F2812小功率实验平台的实验研究,验证了此控制策略的有效性。2原理与设计2.1定子磁场定向控制的数学模型定子磁场定向控制就是将参考坐标系的d 轴放在定子磁场方向上,q 轴超前定子磁链矢量90°,这时定子磁链只有d 轴分量s d ,q 轴分量s q =0。因此,根据异

3、步电机的数学模型可得:定子d ,q 轴电压方程为:u s d =R s i s d +p s d ,u s q =R s i s q +1s d (1式中:R s 为定子电阻;1为定子同步角速度。转子电压方程为:R r i r d +p r d -sl r q =0,R r i r q +p r q -sl r d =0(2式中:R r 为转子电阻;sl 为转差角速度。定子磁链方程为:s d =L s i s d +L m i r d ,0=L s i s q +L m i r q(3式中:L s 为定子电感;L m 为互感。转子磁链方程为:基于定子磁场定向的异步电机控制算法研究倪强,冯晓云,

4、侯鑫尧,廖永衡(西南交通大学,电气工程学院,四川成都610031摘要:此处探讨了一种基于d 轴电流直接求解的定子磁场定向异步电机的控制策略。首先对定子磁场定向矢量控制的基本原理进行了介绍,在此基础上,推导了d 轴电流直接求解公式,并建立了控制系统的数学模型。给出一种混合模型定子磁链观测器的设计方案,并通过Maltab/Simulink 进行了仿真,在以TMS320F2812为控制器的小功率实验平台进行了实验,结果证明了此处所述控制算法的有效性和可行性。关键词:异步电机;定子磁场定向;矢量控制;磁链观测器中图分类号:TM343文献标识码:A文章编号:1000-100X (201107-0055-

5、03Research on Control Method of Asynchronous Motor Based on the Stator Flux -orientedNI Qiang ,FENG Xiao -yun ,HOU Xin -yao ,LIAO Yong -heng(Southwest Jiaotong University ,Chengdu 610031,China Abstract :This paper discusses the asynchronous motor control strategy of the stator flux -oriented based o

6、n direct measurement of d current.A fundamental principle of vector control based on the stator flux -oriented is introduced.On the basis of this ,the formula of calculating d current directly is derived and the math model of control system is built.Some stator flux observers is analyzed and the sch

7、eme based on hybrid -flux observation is shown.Finally ,validity and feasibility of control method of asynchronous motor based on the stator flux oriented are verified by Matlab/Simulink software simulation and low -power experimental platform experiment.Keywords :asynchronous motor ;stator flux -or

8、ientation ;vector control ;flux observationFoundation Project :Supported by National Science and Technology Ministry (No.2009BAG12A05-0855r d =L m i s d +L r i r d ,r q =L m i s q +L r i r q(4式中:L r 为转子电感。电磁转矩表达式为:T em =1.5n p s d i s q (5联合式(2和式(3,消去转子电流i r d ,i r q 后得到转子磁链表达式,代入式(1整理后得到定子磁场定向坐标系统下

9、的定子磁场与定子电流和转差角速度的关系式为:(1+T r p s d =(1+T r p L s i s d -sl T r L s i s q(1+T r p L s i s q =sl T r (s d -L s i s d(6式中:T r 为转子时间常数;=1-L m 2/(L r L s 。由式(6可得sl ,但要消除q 轴电流耦合影响,根据不变性原理,需引入解耦量i j ,这时励磁电流i s d =K pi (s d *,s d +i j ,设K pi (s d *,s d 为磁链控制器输出值,结合式(6中第一式可得:(1+T r p s d =(1+T r p L s K pi (

10、s d *,s d +(1+T r p L s i j -sl T r L s i s q (7因此,只要满足(1+T r p L s i j -sl T r L s i s q =0,就可消除q 轴电流耦合的影响,可得解耦方程为i j =L s i s q 2/s d -L s i s d *,即可实现传统解耦器。图1a 示出传统磁链解耦器框图。由图1a 可知,引入PI ,磁链控制会出现延迟,动态调节时会导致解耦器不能完全补偿q 轴电流,稳态磁链会出现波动。针对该缺点,探讨了一种解析法,即对d 轴电流直接求解的定子磁场定向矢量控制方法。通过联立式(6消去sl ,可得:(1+T r p s d

11、 =(1+T r p L s d -(1+T r p L s 2i s q 2 s d s s d(8由于上式含有微分项,对其求解十分困难,将定子磁链视为常数,则式(8可简化为:L s 2i s d 2-(1+L s s d i s d +s d 2+L s 2i s q 2=0(9求解式(8,得到d 轴电流的表达式为:i s d =(1+L s s d -S /(2L s 2(10式中:S =(1+L s s d -4L s (s d +L s i s q 姨。可得到改进型框图如图1b 所示,可见,励磁电流i s d *的稳态分量直接通过式(10计算可得,给定磁链与反馈磁链的差值经过P 调节

12、器来实现磁链的动态补偿,而稳态时P 调节器输出为零。 2.2定子磁通观测器传统电压模型(U -I 定子磁链观测器表示为:s =乙(u s -R s i s d t ,s =乙(u s -R s i s d t (11传统电流模型(I -N 定子磁链观测器表示为:s =(L m i s -T r r /(1+T r p +(L s +L r i s s =(L m i s -T r r /(1+T r p +(L s +L r i s (12式中:L s 为定子漏感;L r 为转子漏感;为电机转速。由式(11可知,传统U -I 模型定子磁链观测器实质上是一个纯积分器,虽然算法简单,其中不含转子电

13、阻,无需转速信息,鲁棒性较好,但低速时,随着定子电阻压降作用明显,观测精度降低;纯积分环节的误差积累和漂移问题严重,可能导致系统不稳定。因此电压模型法在低速时不能使用,但在高速场合有较高的精度。由式(12可知传统I -N 模型定子磁链观测器精度不受转速降低的影响,且模型不涉及纯积分项,其观测值渐进收敛。但随着I -N 法中引入定子电感、漏感、转子电阻参数和转子转速,观测方法的鲁棒性降低,引起观测误差的因素增多。特别是转子时间常数r 的偏差,不但使初始误差的收敛速度变化,还引起稳态误差。因此在低速时,其观测性能优于电压模型,但在高速时不如电压模型。鉴于电压、电流模型在低速与高速区使用的局限性,建

14、立一个电压电流混合模型用于定子磁链观测。定子磁链闭环观测器是一个基于电压和电流的全阶观测器,图2示出模型结构。如图2所示电机运行在低速区时,磁链观测器值主要由电流模型计算,而具有自适应调节的电压模型则在高速区起作用。为补偿积分引起的误差和低速区定子阻抗压降,使整个模型在全速范围内有好的观测精度,定子磁链在电压模型中修正为:1u=乙(u 1-R s i 1-u com d t u com =(K p +K i /s (1u -1i乙乙乙乙乙(13通过PI 调节器得到,选择合适的K p ,K i 使转子磁链闭环观测器能够在电压、电流模型间平滑切换。并且定子磁链观测值在零速时仅有电流模型定子磁链分量

15、,在低速时电流模型定子磁链分图1解耦器框图图2磁链观测器u com 为补偿量;1u 为电压模型计算所得定子磁链;1i 为电流模型计算所得定子磁链。56量占主要部分,在高速时电压模型定子磁链分量占主要部分。K p ,K i 选择要以闭环系统传递函数的极点分布为依据,一般选择K p =1+2,K i =12,其中1,2分别为闭环系统传递函数的两个极点。2.3系统控制框图图3示出系统控制框图,由图可见,给定转矩T e *是通过给定速度r *与反馈速度r 差通过一个PI 调节器输出得到,再将s *代入式(5即可计算出转矩电流i s q *,另外式(10是在定子磁通稳定情况下得到的,在电机的起动过程中,

16、定子磁链处于上升过程,没有完全建立,因此需要在电机起动时,先使磁链上升到一定值后再启动上述的控制方法,此外还需对d 轴给定电流进行动态补偿。具体方法是由系统的给定磁链幅值与反馈磁链幅值之差经P 比例调节器来实现,在动态过程中进行补偿,而在静态过程中P 调节器的输出为零。3仿真与实验为证明所提出的异步电机控制算法相对传统解耦器的方法具有动态性能好与稳态磁链波动小的特点,对该算法进行了Matlab/Simulink 仿真,电机参数为:开关频率5kHz ,给定定子磁链1Wb ,直流母线电压250V ,额定功率3kW ,额定线电压380V ,转子电阻1.2,定子电阻1.85,定、转子电感均为0.294

17、H ,定转子互感为0.28375H ,极数为4极,给定转速ref =300rad ·s -1。图4示出磁链幅值的仿真波形。通过仿真可知该算法能够减小稳态磁链波动,具有良好的静态性能。进一步在小功率变频调速平台上进行了实验,实验时采用控制器为TMS320F2812,实验电机为GWG100L-50-3-4型变频电机,变频范围5200Hz ,负载为飞轮,其他参数与仿真相同。图5为电机定子a ,b 两相定子相电流稳态波形,对比可知直接求解定子电流正弦度较好。图6为解耦后d ,q 轴电流波形,当电机达到额定转速时,对比图5a ,b ,后者转矩电流波动小,转矩稳态特性较好,速度给定突变为200r

18、ad ·s -1时,基于d 轴电流直接求解算法,励磁电流几乎无波动,体现了系统良好的解耦性能。4结论此处所研究的基于d 轴电流直接求解定子磁场定向矢量控制控制策略,取消了传统磁链解耦器,采用电压、电流混合模型磁链观测器观测磁通,仿真与小功率实验平台实验研究表明,该算法较传统定子磁场定向矢量控制方法,磁链与转矩的解耦控制特性得到改善。参考文献1P L Jansen ,R D Lorenz ,D W Novotny.Observer Based Direct Field Oriented :Analysis and Comparison of Alter Native MethodsJ.IEEE Trans.on Industry Applications ,1994,30(4:945-953.2T G Habetler ,F Profumo ,G Griva.Stator Resistance Tun -ing in a Stator -flux -field -oriented Drive using an Instan -taneous Hybrid