基于定子電流矢量定向的異步電機轉子磁鏈估計器及其應用研究

2017-04-12 11:14:49 大云網　點擊量：評論 (0)

核心提示：　　20世紀70年代出現的矢量控制，使得異步電機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）轉子磁鏈的幅值和角度是問題的關鍵。傳統的磁鏈估計器有電壓型和電流型兩種。電

核心提示：　　20世紀70年代出現的矢量控制，使得異步電機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）轉子磁鏈的幅值和角度是問題的關鍵。傳統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70年代出現的矢量控制，使得異步電機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）轉子磁鏈的幅值和角度是問題的關鍵。傳統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子電阻。在電機運行過程中，定轉子電阻會隨著溫升的變化（以及導線的集膚效應等）而變化，對估計精度影響很大。近年來，很多學者提出了降低定轉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，或者改進電壓型估計器的純積分環節，等等。然而，這些改進后的磁鏈估計器中，仍然包含定轉子電阻參數。

　　本文提出了一種不包含定轉子電阻參數的轉子磁鏈估計器，換言之，定轉子電阻的攝動對磁鏈估計器的精度影響甚微。本文從新坐標系下異步電機的基本方程出發，導出了基于定子電流矢量定向的轉子磁鏈估計器。通過數字仿真，印證了在定轉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用，認為該方法可用于異步電機高性能控制中。

　　2基于定子電流矢量定向的轉子磁鏈估計器在靜止（c）坐標系中，寫成矢量形式的異步電動機基本電壓方程和磁鏈方程為中國電機工程學報子電阻和電感；iV和Vr為轉子的電壓矢量、電流矢量和磁鏈矢量；為定轉子互感；叫為電機的轉速。

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

　　在該坐標系下，矢量形式的異步電動機的基本電壓和磁鏈方程為因1-2坐標系的1軸定向于定子電流矢量is上（如所示），故有：U=|is|，7s2=.據此，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，下面的推導中只用到這7個方程，所以導出的磁鏈估計器必定不含足。

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

　　聯立式（11）和式（13），就可以得到在定子電流矢量定向后的1-2坐標系中轉子磁鏈的微分方程組，可以簡潔地表示為1-2坐標系中基于定子電流矢量定向的轉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。

　　與傳統的電壓型和電流型估計器不同，式（15）構成的新型磁鏈估計器中引入了參數W1.W1是定子電流矢量的旋轉速度，穩態時，它與電源的角頻率相等；動態過程中，W1的表達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子電阻，因此在電機轉子電阻發生攝動時，其估計結果出現了很大的暫態和穩態誤差。而新型磁鏈估計器不包含轉子電阻參數，因此估計結果幾乎不受影響，估計誤差接近于零。

　　電機在工頻下開環運行定子電阻增大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，因此在電機定子電阻發生攝動時，其估計結果出現了很大的暫態和穩態誤差。而新型磁鏈估計器不包含定子電阻參數，因此估計結果幾乎不受影響，估計誤差接近于零。

　　4基于定子電流矢量定向的轉子磁鏈估計器在矢量控制中的應用從前文可知，基于定子電流矢量定向的轉子磁鏈估計器（新型磁鏈估計器）在開環運行時，有著優越的性能。驗證其開環性能的主要目的是為了將之用于閉環控制的異步電機調速系統中。

　　在Matlab/Simulink中建立異步電機調速系統的數學模型，進行數字仿真，電機參數如前所述。

　　仿真時，本文采用了傳統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，在推導過程中，通過定子電流矢量定向避開了參數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的表達式略顯復雜，但以此可換取消除定轉子電阻參數。引入的新參數1隱含了定轉子電阻對估計器的作用，這樣就使得估計器不顯含定轉子電阻參數，從而大大降低參數攝動對估計精度的影響。

　　3數字仿真及結果在Matlab/Simulink中，建立電機及磁鏈估計器模型。其中，電機參數為：Rs載為額定負載。仿真的初始條件為：t=0時刻，電機的電流、磁鏈均為0.電機在工頻下開環運行，轉子電阻增大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工程學報方案，磁鏈幅值指令為1Wb，轉速指令為100prad/s.定轉子電阻同時攝動，其攝動幅度分別為Mx=50%，MfIOO%.仿真時，使用同一PI控制器，在轉子磁鏈的反饋環節中，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，所以沒有就此進行深入探討，但是通過研究可知，電感參數攝動以及轉速計量誤差不大時，新型磁鏈估計器仍可保持良好的性能。如果再加入適當的校正環節，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子磁鏈估計器不包含定轉子電阻參數，除了在極少數奇異點之外，均可保持相當高的精度。無論是開環運行還是閉環運行，當定轉子電阻發生較大幅度變化時，估計器性能幾乎不受影響。與傳統的磁鏈估計器相比，新型磁鏈估計器在抗擾動方面具有明顯的優勢。有了轉子磁鏈的精確估計作為基礎，異步電機矢量控制的關鍵問題就得到了解決，各種控制策略就能夠更好的發揮作用，從而實現異步電機調速系統的高性能控制和運行。