基于定子电流矢量定向的异步电机转子磁链估计器及其应用研究

2017-04-12 11:14:49 大云网　点击量：评论 (0)

核心提示：　　20世纪70年代出现的矢量控制，使得异步电机的控制性能大大提高。在间接磁场定向的矢量控制中，精确地估计（或观测）转子磁链的幅值和角度是问题的关键。传统的磁链估计器有电压型和电流型两种。电

核心提示：　　20世纪70年代出现的矢量控制，使得异步电机的控制性能大大提高。在间接磁场定向的矢量控制中，精确地估计（或观测）转子磁链的幅值和角度是问题的关键。传统的磁链估计器有电压型和电流型两种。电压型磁链估

　　20世纪70年代出现的矢量控制，使得异步电机的控制性能大大提高。在间接磁场定向的矢量控制中，精确地估计（或观测）转子磁链的幅值和角度是问题的关键。传统的磁链估计器有电压型和电流型两种。电压型磁链估计器依赖于定子电阻，而电流型磁链估计器依赖于转子电阻。在电机运行过程中，定转子电阻会随着温升的变化（以及导线的集肤效应等）而变化，对估计精度影响很大。近年来，很多学者提出了降低定转子电阻摄动对磁链估计影响的方法。例如，将两种估计器配合使用，或者改进电压型估计器的纯积分环节，等等。然而，这些改进后的磁链估计器中，仍然包含定转子电阻参数。

　　本文提出了一种不包含定转子电阻参数的转子磁链估计器，换言之，定转子电阻的摄动对磁链估计器的精度影响甚微。本文从新坐标系下异步电机的基本方程出发，导出了基于定子电流矢量定向的转子磁链估计器。通过数字仿真，印证了在定转子电阻大幅度摄动时，该估计器仍可保持很高的精度。最后，探讨了其在间接磁场定向矢量控制中的应用，认为该方法可用于异步电机高性能控制中。

　　2基于定子电流矢量定向的转子磁链估计器在静止（c）坐标系中，写成矢量形式的异步电动机基本电压方程和磁链方程为中国电机工程学报子电阻和电感；iV和Vr为转子的电压矢量、电流矢量和磁链矢量；为定转子互感；叫为电机的转速。

　　将定子电流矢量的旋转速度记为1.选择这样一个“1-2坐标系”，其1轴与4重合，且落后于2轴p/2，并使坐标系的旋转速度等于妫。下文中，将以下标1、来区分各个矢量在1轴和2轴上的投影。

　　在该坐标系下，矢量形式的异步电动机的基本电压和磁链方程为因1-2坐标系的1轴定向于定子电流矢量is上（如所示），故有：U=|is|，7s2=.据此，将基本方程（3）、（4）展开，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个方程均不含Rs，下面的推导中只用到这7个方程，所以导出的磁链估计器必定不含足。

　　利用式（5）、（6），经过简单地推导，可得式（7）等号两边同乘以LmW！，则分别与式（9）等号两边，从而得到转子磁链2轴分的微分方程假设￥v20，则可用式（8）除以式（10），得！理后，得到转子磁链1轴分量的微分方程或者写成￥r2=0是系统的一个奇异点，但只在极个别情况（如起动）下才会出现。在仿真和实际工程中，均可以用一个很小的数代替￥r2的过零点，而不会引入太大的误差。

　　联立式（11）和式（13），就可以得到在定子电流矢量定向后的1-2坐标系中转子磁链的微分方程组，可以简洁地表示为1-2坐标系中基于定子电流矢量定向的转子磁链估计疹下文中称之为新型磁链估计器“），其原理框图如所示。

　　与传统的电压型和电流型估计器不同，式（15）构成的新型磁链估计器中引入了参数W1.W1是定子电流矢量的旋转速度，稳态时，它与电源的角频率相等；动态过程中，W1的表达式为利用霍尔传感器可以得到精度很高的定子电流值新型磁链估计器电流型估+器新型磁链估计器从和可以看出，由于电流型磁链估计器依赖于转子电阻，因此在电机转子电阻发生摄动时，其估计结果出现了很大的暂态和稳态误差。而新型磁链估计器不包含转子电阻参数，因此估计结果几乎不受影响，估计误差接近于零。

　　电机在工频下开环运行定子电阻增大50%时，新型磁链估计器与电压型磁链估计器的估计误差如和所示。

　　新型磁链估计器与电压型磁链估计器的幅值估计误差新型磁链估计器与电压型磁链估计器的角度估计误差从和可以看出，由于电压型磁链估计器依赖于定子电阻，因此在电机定子电阻发生摄动时，其估计结果出现了很大的暂态和稳态误差。而新型磁链估计器不包含定子电阻参数，因此估计结果几乎不受影响，估计误差接近于零。

　　4基于定子电流矢量定向的转子磁链估计器在矢量控制中的应用从前文可知，基于定子电流矢量定向的转子磁链估计器（新型磁链估计器）在开环运行时，有着优越的性能。验证其开环性能的主要目的是为了将之用于闭环控制的异步电机调速系统中。

　　在Matlab/Simulink中建立异步电机调速系统的数学模型，进行数字仿真，电机参数如前所述。

　　仿真时，本文采用了传统的间接磁场定向矢量控制新型磁链估计器与电流型磁链估计器的幅值估计误差；在电流信号声不大时，跟踪微分器分信号。因此，叫可以通过量测定子电流计算得到。

　　值得注意的是，在推导过程中，通过定子电流矢量定向避开了参数Rs，又通过剥离含Rr的项，消去了Rr.最终得到的新型磁链估计器中，Vr1的表达式略显复杂，但以此可换取消除定转子电阻参数。引入的新参数1隐含了定转子电阻对估计器的作用，这样就使得估计器不显含定转子电阻参数，从而大大降低参数摄动对估计精度的影响。

　　3数字仿真及结果在Matlab/Simulink中，建立电机及磁链估计器模型。其中，电机参数为：Rs载为额定负载。仿真的初始条件为：t=0时刻，电机的电流、磁链均为0.电机在工频下开环运行，转子电阻增大100%时，新型磁链估计器与电流型磁链估计器的估计误差如和所示。

　　新型磁链估计器与电流型磁链估计器的角度估计误差中国电机工程学报方案，磁链幅值指令为1Wb，转速指令为100prad/s.定转子电阻同时摄动，其摄动幅度分别为Mx=50%，MfIOO%.仿真时，使用同一PI控制器，在转子磁链的反馈环节中，先后采用电压型磁链估计器、电流型磁链估计器和新型磁链估计器。

　　三种磁链估计器的估计值与真值之间的误差如和所示。

　　电压型磁链估计器新型磁链估计器电流型磁链估计器转子磁链幅值估计误差这不是本文要解决的主要问题，所以没有就此进行深入探讨，但是通过研究可知，电感参数摄动以及转速计量误差不大时，新型磁链估计器仍可保持良好的性能。如果再加入适当的校正环节，则可以较好地抑制这些干扰的影响。

　　本文提出的基于定子电流矢量定向的转子磁链估计器不包含定转子电阻参数，除了在极少数奇异点之外，均可保持相当高的精度。无论是开环运行还是闭环运行，当定转子电阻发生较大幅度变化时，估计器性能几乎不受影响。与传统的磁链估计器相比，新型磁链估计器在抗扰动方面具有明显的优势。有了转子磁链的精确估计作为基础，异步电机矢量控制的关键问题就得到了解决，各种控制策略就能够更好的发挥作用，从而实现异步电机调速系统的高性能控制和运行。