基于定子磁场定向的异步电机控制算法研究

第４５卷第７期　２０１１年７月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．７　Ｊｕｌｙ　２０１１　基于定子磁场定向的异步电机控制算法研究　倪　强，冯晓云，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Ｍａｈａｂ／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（２０１１）０７－００５５－０３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍｅｔｈｏｄ　０ｆ　Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｓｔａｔｏｒ　Ｆｌｕｘ．ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ＮＩ　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　ｏｎ　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　ｓｃｈｅｍｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｈｙｂｒｉｄ・ｌｕｘ　ｏｂｓｅｒｖａｔｆｉｏｎ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｖａｌｉｄｉｔｙ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｏｒ　ｆｌｕｘ　ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ａｒｅ　ｖｅｒｉｉｆｅｄ　ｂｙ　Ｍａｔｌａｂ／　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ；ｓｔａｔｏｒ　ｆｌｕｘ—ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ；ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｆｌｕｘ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏａｅｄ　ｂｙ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ（Ｎｏ．２００９ＢＡＧ１２Ａ０５—０８）　１　引　言　准确的磁场定向是实现高性能异步电机交流　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　－ｓ】。最　后通过计算机仿真和基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２小功率实　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【”．且对转子时间常数　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　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Ｉ　２Ｉ，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，加入了解耦器实现转矩与磁链完全解耦，但估　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　＝，ｑ轴分量　０。因此，根据异步电机的数学模型可得：　定子ｄ．ｑ轴电压方程为：　＝　ｉｚ＋ｐ　，ｌＺｓｑ＝Ｒ　＋６ｕｌ　（１）　计磁链容易出现偏差，动态调节时解耦器不能完　全补偿口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『３１，加大　了对电机参数依赖。此处探讨了一种基于ｄ轴电　式中：Ｒ　为定子电阻；　为定子同步角速度。　转子电压方程为：　Ｒ　＋ｐ　一　＝０，　Ｒｒ／　＋ｐ　－－Ｏ）　＝０　（２）　式中：Ｒ　为转子电阻；∞　为转差角速度。　基金项目：国家科技支撑计划课题（２００９ＢＡＧ１２ＡＯ５—０８）　定子磁链方程为：　定稿日期：２０１１—０６—２８　作者简介：倪　强（１９８７一），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。　￣＝Ｌｓｉ　＋Ｌｄ　，　Ｏ＝Ｌｊ　＋　。　式中：　为定子电感；￡　为互感。　（３）　转子磁链方程为：　５５　第４５卷第７期　２０１１年７月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．７　Ｊｕｌｙ　２０１１　＝　＋　Ｉｄ，　＝Ｌｍ／８叮＋　婶　（４）　式中：　为转子电感。　ｑｒ＝Ｉ（　。　一Ｒ　ｉ　）ｄｔ，　ｆ　＝（　【　＝（　一　＝ｌ（￡　Ｒ　）ｄｔ（１１）　，，　、　、　电磁转矩表达式为：　＝１．５ｎ　（５）　传统电流模型（，一Ⅳ）定子磁链观测器表示为：　联合式（２）和式（３），消去转子电流ｉ　，　后得　到转子磁链表达式，代入式（１）整理后得到定子磁　场定向坐标系统下的定子磁场与定子电流和转差　角速度的关系式为：　∞）／（１＋　ｐ）＋（三　＋￡　）　）／（１＋　ｐ）＋（Ｌ　）　式中：，Ｊ　为定子漏感；Ｌ　为转子漏感；ｏＪ为电机转速。　由式（１１）可知。传统　，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　ｆ（１＋Ｔｒｐ）ｘ／ｒ￣￣＝（Ｉ＋ｃｒＺＰ）Ｌ￣ｉｚ－ｗａａＴ￣ｉ　【（１＋ｔｒＴｒｐ）Ｌ。ｉ　＝（ｃ　（　一ｏ－Ｌ￣ｉ　）　式中：　为转子时间常数；　１－Ｌ，２／（　）。　，　、　含转子电阻，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　由式（６）可得　，但要消除ｑ轴电流耦合影　致系统不稳定。因此电压模型法在低速时不能使　响，根据不变性原理，需引入解耦量ｉｊ，这时励磁　用，但在高速场合有较高的精度。　电流　＝　（蜡，　）＋　，设　（　，　）为磁链控　由式（１２）可知传统，一Ⅳ模型定子磁链观测器　制器输出值，结合式（６）中第一式可得：　精度不受转速降低的影响，且模型不涉及纯积分　（１＋　ｐ）　＝（１＋　Ｐ）Ｌ　ｐｉ（　０，　）＋　项，其观测值渐进收敛。但随着，一Ｊ７、ｒ法中引入定子　（１＋　Ｐ）￡　一　ｄ　（７）　电感、漏感、转子电阻参数和转子转速，观测方法　因此，只要满足（１＋　ｐ）　一∞　Ｔ，ｏ＇Ｌ　ｉ　＝０，就可　的鲁棒性降低，引起观测误差的因素增多。特别是　消除ｑ轴电流耦合的影响，可得解耦方程为　；＝　转子时间常数ｒ　的偏差，不但使初始误差的收敛速　／　一　０，即可实现传统解耦器。图１ａ示出　度变化，还引起稳态误差。因此在低速时．其观测　传统磁链解耦器框图。　性能优于电压模型，但在高速时不如电压模型。　由图ｌａ可知，引入ＰＩ，磁链控制会出现延迟，　鉴于电压、电流模型在低速与高速区使用的　动态调节时会导致解耦器不能完全补偿口轴电　局限性，建立一个电压电流混合模型用于定子磁　流。稳态磁链会出现波动。针对该缺点，探讨了一　链观测。定子磁链闭环观测器是一个基于电压和　种解析法，即对ｄ轴电流直接求解的定子磁场定　电流的全阶观测器。图２示出模型结构。　向矢量控制方法。通过联立式（６）消去∞　，可得：　同步旋转系下　（１　）　＝（　（８）　电流模型　由于上式含有微分项，对其求解十分困难，将　型定子磁链视为常数，则式（８）可简化为：　ｌ　ａｒｃｔａｎ（￣２／％２）　　。　。　一（１＋Ｄ。）　芦　＋　＋　２ｉ￣ｑ２＝０　（９）　“一为补偿量；％　为电压模型计算所得定子磁链；　为电流模　求解式（８），得到ｄ轴电流的表达式为：　型计算所得定子磁链。　：［（１＋０ｒ）￡　一ＳＪ／（２ＬｓＺｏ－）　（ＩＯ）　图２磁链观测器　式中：Ｊｓ＝　＿（】　Ｆ４厶　）０　如图２所示电机运行在低速区时，磁链观测　可得到改进型框图如图１ｂ所示，可见，励磁　电流　的稳态分量直接通过式（１０）计算可得，给　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。　定磁链与反馈磁链的差值经过Ｐ调节器来实现　为补偿积分引起的误差和低速区定子阻抗压　磁链的动态补偿，而稳态时Ｐ调节器输出为零。　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：　ｊｒ　‰　１“＝Ｊ（Ｍｆ　ｑＢｌ一　印１一ｕ￣）ｄｔ　，１　、　・　（ａ）传统磁链解耦器　（ｂ）礴自电流直接求解　【Ｍ　（Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓ）（％ｌ“一％。ｉ）　图１解耦器框图　通过ＰＩ调节器得到，选择合适的　，　使转　子磁链闭环观测器能够在电压、电流模型间平滑　２．２定子磁通观测器　切换。并且定子磁链观测值在零速时仅有电流模　传统电压模型（Ｕ—Ｉ）定子磁链观测器表示为：　型定子磁链分量，在低速时电流模型定子磁链分　５６　基于定子磁场定向的异步电机控制算法研究　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。　，　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Ｋｐ＝ｔｏ】＋ｔｏ２，Ｋ￣＝ｔｏｌ∞２，其　中　，　：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　是通过给定速度ｔｏ　与反馈速度　差通过一个　ＰＩ调节器输出得到，再将　代入式（５）即可计算　出转矩电流　，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，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。　乩　逆　变　器　Ｏ　ｉｓａ　ｉ　图３系统框图　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５　ｋＨｚ，给定定子磁链１　Ｗｂ，　直流母线电压２５０　Ｖ。额定功率３　ｋＷ。额定线电压　３８０　Ｖ，转子电阻１．２Ｑ，定子电阻１．８５Ｑ，定、转子电　感均为０．２９４　Ｈ，定转子互感为０．２８３　７５　Ｈ。极数为　４极，给定转速∞　＝３００　ｒａｄ・Ｓ一。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。　ｔ／（５０　ｍｓ／格）ｔ／（５０　ｍｓ／扦｝）　（ａ）觚Ｊ解耦器　（ｂ）虚接求解　图４磁链幅值　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ＧＷＧ１０ＯＬ一５０—３—４型变频电机。变频范围５～　２００　Ｈｚ，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。　爨　ｔ／（２５　ｍｓ／格１　（ｂ）ｔ￣ｉＺ接求解　图５定子稳态相电流　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２００　ｒａｄ・Ｓ－　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。　－　　，也．一一一。　．ｉ．．．　一　＿　ｌ　：ｌｄ：　！．：　－　，　Ｉ＿－．一一一＿－．Ｈ删嘲　ｔ／（２５　ｍｓ／格）ｔｉ（２５　ｍｓ／格）　（ａ）ｌＪＩＩ解耦器　（ｂ）直接求解　图６　ｄ．ｑ轴解耦电流　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　［１】Ｐ　Ｌ　Ｊａｎｓｅｎ，Ｒ　Ｄ　Ｌｏｒｅｎｚ，Ｄ　Ｗ　Ｎｏｖｏｔｎｙ．Ｏｂｓｅｒｖｅｒ　Ｂａｓｅｄ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｆｉｅｌｄ　Ｏｒｉｅｎｔｅｄ：Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　Ａｌｔｅｒ　Ｎａｔｉｖｅ　Ｍｅｔｈｏｄｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，　１９９４，３０（４）：９４５—９５３．　【２］Ｔ　Ｇ　Ｈａｂｅｔｌｅｒ，Ｆ　Ｐｒｏｆｕｍｏ，Ｇ　Ｇｒｉｖａ．Ｓｔａｔｏｒ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ｔｕｎ—　ｉｎｇ　ｉｎ　ａ　Ｓｔａｔｏｒ－－ｌｆｕｘ－・ｉｆｅｌｄ－・ｏｒｉｅｎｔｅｄ　Ｄｒｉｖｅ　ｕｓｉｎｇ　ａｎ　Ｉｎｓｔａｎ－－　ｔａｎｅｏｕｓ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｆｌｕｘ　Ｅｓｔｉｍａｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｐｏｗ—　ｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９８，１３（１）：２９２—２９４．　［３】王红梅，阮毅，徐静．定子电阻变化对异步电机按　定子磁场定向控制系统性能的扰动分析［Ｊ］．电气传动　自动化，２００４，２６（１）：１４—１７．　【４】邵立伟，廖晓钟，张宇河，等．无解耦器的定子磁场定　向矢量控制系统『Ｊ１．北京理工大学报，２００６，２６（９）：　７９９—８０１．　【５】宋昌林．基于磁场定向的感应电机直接转矩控制研　究【Ｄ】．成都：西南交通大学，２００４．　５７