论文研究-基于电流模型磁链观测器的异步电机矢量控制 .pdf-资料库

Flux Observer Xu Shizhou,Liu Yi JiangSu XuZhou 221008) (Institute of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Abstract: This paper described the status of AC speed regulation，Expounded the principle of vector control，set up flux current model using rotor flux orientation，and set up the vector control system simulation model with inner torque loop as well as speed and flux closed loop at last。It used the MATLAB simulation software to get the simulation ， whose results have proved the good performance of the vector control strategy based on current model flux observer。 Keywords:current model;flux observer;vector control 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于电流模型磁链观测器的异步电机矢量控制徐世周，刘毅* （中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221008）摘要：本文首先讲述了交流调速的现状，阐述了矢量控制原理，采用转子磁链定向搭建磁链电流模型，最后搭建了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型。使用 MATLAB 仿真软件进行了仿真，结果验证了基于电流模型磁链观测器的矢量控制策略的优越性能。关键词：交流调速；磁链观测器；矢量控制中图分类号：TM301 Vector Control of Induction Motor Based on Current Model 0 引言由于交流电机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电机相比，转矩控制要困难得多。在变频技术日新月异地发展的同时，交流电机控制技术取得了突破性进展。20 世纪 70 年代初提出的矢量控制理论解决了交流电机的转矩控制问题，通过坐标变换实现了电子电流励磁分量和转矩分量的解耦，即交流电机磁通和转矩的解耦，从而使得交流调速系统可以获得与直流调速系统相媲美或更好的控制性能[1]。交流异步电机的磁场控制是调速控制中的关键问题，在基频以下调速时，无论按稳态模型还是动态模型控制都需要保持电动机气隙磁通恒定；在基频以上调速时需要弱磁控制。异步电动机的励磁回路是非独立的，定子绕组输入的电流包括转矩分量和励磁分量两部分，这给异步电动机的控制带来很大的困难。如果按转子磁场的定向控制，则需要知道转子磁场的大小和位置，因此，对电动机磁场进行实时控制，首先需要检测磁场。电动机磁场的直接检测，由于受到工程和技术条件的限制难以实现，一般采用计算的方法，即采用磁链模型进行观测。本文将在两相旋转坐标系上建立按转子磁链定向的转子磁链电流模型，最终搭建带转矩内环的转速磁链闭环矢量控制系统的仿真模型[2]。作者简介：徐世周（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子与电力传动. E-mail: xushizhousiee@163.com - 1 -

中国科技论文在线 1 矢量控制原理 http://www.paper.edu.cn 矢量控制思想是由德国学者 Blaschke 于 1971 年提出的，首先是应用到感应电动机（IM）中。从那时起，人们运用矢量控制理论为改善 IM 的伺服驱动性能做了大量研究。矢量控制的原理和方法同样可以应用于三相永磁同步电动机（PMSM）。可以说，正是因为运用了矢量控制理论，才使 PMSM 的伺服驱动性能达到直流电动机的水平[3]。众所周知，在他励直流电动机中，励磁磁场与电枢磁动势间的空间角度由电刷和机械换向器所固定。通常情况下两者正交。因此，当励磁不变时电枢电流和电磁转矩间存在线性关系。通过单独调节电枢电流可以直接控制转矩。为使电动机在高速区能以恒功率方式运行，还可单独调节励磁进行弱磁控制。正是因为在很宽的运行范围内都能提供可控转矩，直流电动机才在电气传动系统中得到了广泛的应用。而同步电动机中的励磁磁场与电枢磁动势空间角度不是固定的，随负载而变化，在动态情况下，关系更为复杂，因此不能靠简单的通过调节定子电流来控制转矩，这时，就需要运用到矢量变换技术[23]。矢量变换控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂直、彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电机的转矩控制在原理和特性上就和直流电动机相似了。因此，矢量控制既需要控制定子电流的幅值，又需要控制定子电流向量的相位。 2 转子磁链电流模型 2.1 在两相静止坐标系上的转子磁链电流模型 s α L i mp r β R L r rp L i ω − r r i R L =（ + ） + s sp α L i R L p) ( + + mp r s s mpLα L i i + +（ + ） ω m s s r α β L i L pi ω + = − m s m s 异步电动机在两相静止坐标系上的电压方程式（*）为： U s α sU = β U = U 式中， sU α、 sU β为两相静止坐标系上两相定子绕组电压； rU α、 rU β为两相静止坐标系上两相转子绕组电压； si α、 si β为两相静止坐标系上两相定子绕组电流； ri α、 ri β为两相静止坐标系上两相转子绕组电流；ω为转子角速度； sR 、 rR 为定子、转子一相绕组电阻； sL 、 rL 为两相坐标系上定转子绕组的自感；Lm 为两相坐标系上同轴定转子绕组间的互感。 i + L i ω r r r α R L +（ + ） r β r β α α β β i r rp 由电压方程（*）的第 1、2 行，可得定子回路的电压方程为： sU α= sR si α+ sL sU β= sR si β+ sL sdi α + mL dt sdi β + mL dt rdi α (1) dt rdi β (2) dt 在两相静止坐标系上，转子磁链在α、β轴上的分量为： ψ = ψ = + + m sL i m sL i r rL i r rL i r α r β α α β β (3) (4) - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 因此 ψ= （ - r α L i m s ） (5) α ψ= （ - ） (6) L i m s β r β 在两相静止坐标系电压方程即式（*）的第 3、4 行中，令 sU α= sU β=0，且将式子（5）（6）的关系代入，经整理后，可得异步电动机转子磁链电流模型方程为： ri α ri β 1 L r 1 L r = ψ r α 1 （ T p 1 + r 1 （ T p 1 + r 式中， rT =Lm/ ψ r β = T e = ω s = ψ r= r p n L m L L i m st T ψ r r L i m sm T p 1 + r L i m s - T ω ψ ） (7) r r β α L i m s - T ω ψ ） (8) r r α β rR 为转子电磁时间常数。 2.2 按转子磁链定向两相旋转坐标系上的转子磁链电流模型按转子磁链定向两相旋转坐标系下的转子磁链电流模型是通过检测定子三相电流和转速 rω计算转子磁链，三相定子电流经 3s/2r 变换的到定子电流励磁分量 ism 和转矩分量 sti 。并由异步电动机的矢量控制方程式： i ψ st r (9) (10) (11) 通过矢量控制方程式（10），可以计算电动机转差 sω和定子频率 1ω。通过矢量控制方程式（11）可以计算电动机转子磁链 rψ 。根据以上公式的搭建转子磁链电流模型结构如下： - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 1. 转子磁链电流模型 3 仿真分析搭建带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型如下：图 2. 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型其中的 PI 调节器结构如下：图 3.PI 调节器结构 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 表 1.调节器参数参考值比例放大器 G1 放大倍数积分放大器 G2 放大倍数 3.8 4.5 0.8 0.8 12 100 积分器限幅调节器输出限幅上限 80 60 15 下限 -80 -60 -15 上限 75 60 13 下限 -75 -60 -13 调节器转速调节器 ASR 转矩调节器 ATR 磁链调节器选用电机参数如下： 380V、50Hz、两对极，RS=0.435Ω 、 lsL =0.002mH，Rr=0.816 Ω ， lrL =0.002 mH，Lm=0.069 mH，J=0.19kg·m2 lsL +Lm =0.071 mH，转子绕组自感 Lr= lrL +Lm=0.071 mH 定子绕组自感 Ls= 在给定转速为 1400r/min，空载启动，0.6s 时加载 60N·m，系统的仿真结果如下图所示：图 4.转速响应图 5.经 2r/3s 变换的三相电流给定波形 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 6.输出转矩图 7.转速调节器输出图 8.转矩调节器输出 - 6 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 9.磁链调节器输出首先，从上图异步电机的转速、电流、转矩仿真波形可以看出，在矢量控制下转速上升平稳，加载后略有下降但随即恢复，在 0.35s 达到给定转速时和 0.6s 加载时，系统调节器和电流、转矩都有相应的响应。由于 ATR 和 ApsiR 都是带限幅的 PI 调节器，在启动中两个调节器都处于饱和限幅状态，因此定子电流的转矩和励磁分量都保持不变，定子电流的给定值也不便，所以在起动过程中定子电流基本保持不变，实现了恒流起动。其次，从磁链轨迹可以看出，带磁链调节器后，在起动阶段，磁场的建立过程比较平滑，磁链呈螺旋形增加，同时电动机转矩也不断上升，有效克服了不带磁链观测器时，起动初期磁链轨迹波动较大和转矩大幅度波动的缺点，表现出优越的控制性能。 4 结论本文系统阐述了矢量控制的原理，搭建了基于电流模型的磁链观测器，建立了基于此磁链观测器的异步电机矢量控制系统。最后，文中采用 MATLAB7.6 仿真软件对系统进行了仿真，仿真结果验证了基于电流模型的磁链观测器在异步电机矢量控制系统中的优越控制性能，为进一步的实验研究打下坚实的基础。 [参考文献] (References) [1] 陈伯时. 交流调速系统[M].北京：机械工业出版社,1998. [2] 马小亮. 大功率交交变频交流调速及矢量控制[M].北京：机械工业出版社,1992. [3] 李永东. 交流电机数字控制系统[M].北京: 机械工业出版社,2002. [4] Bimal K.Bose, Modern Power Electronics and AC Drives[M]. Prentice Hall PTR, 2000. [5] D.Yousfi,M.Azizi,A.Saad. Sensorless Position and Speed Detection for Permanent Magnet Synchronous Motor[J]. Power Electronics and Motion Control Congerence,2000.Proceedings. PIEMC 2000.The Third International,2000,3(4):1224-1229 [6] 李志民，张遇杰. 同步电动机调速系统[M]. 北京：机械工业出版社，1996. [7] 王成元. 电机现代控制技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006. [8] 庞浩,俎云霄,王赞基. 一种新型的全数字锁相环[J]. 中国电机工程报,2003,23(2):37-41. [9] 薛定宇，陈阳泉. 基于 MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2002. - 7 -

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