異步電機(jī)混合模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器學(xué)習(xí)

調(diào)速系統(tǒng)中的電機(jī)控制技術(shù)的根本的目的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩精準(zhǔn)、迅速的控制。以矢量控制的概念為基礎(chǔ)，達(dá)到對電機(jī)的磁鏈、轉(zhuǎn)矩分別控制的目的前提是轉(zhuǎn)子的磁場定向控制系統(tǒng)需要通過控制定子電流的勵(lì)磁分量使得轉(zhuǎn)子磁鏈幅值恒定，而后由控制定子電流轉(zhuǎn)矩分量來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩以及實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

一、引言

調(diào)速系統(tǒng)中的電機(jī)控制技術(shù)的根本的目的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩精準(zhǔn)、迅速的控制。以矢量控制的概念為基礎(chǔ)，達(dá)到對電機(jī)的磁鏈、轉(zhuǎn)矩分別控制的目的前提是轉(zhuǎn)子的磁場定向控制系統(tǒng)需要通過控制定子電流的勵(lì)磁分量使得轉(zhuǎn)子磁鏈幅值恒定，而后由控制定子電流轉(zhuǎn)矩分量來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩以及實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就必須獲得較為精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和空間位置信息， 在實(shí)用中通常使用磁鏈觀測這一手段來實(shí)現(xiàn)。磁鏈觀測器應(yīng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：一是獲得的轉(zhuǎn)子磁鏈幅值；二則需要確保轉(zhuǎn)子磁場定向的準(zhǔn)確性，從而獲得實(shí)時(shí)的磁鏈空間位置角度以用于坐標(biāo)變換。

觀測異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的基本方法有兩種：電流模型法和電壓模型法。電流型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測通過定子電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速來計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈；而電壓模型則通過定子電壓和定子電流進(jìn)行計(jì)算，需要對電機(jī)的反電動(dòng)勢進(jìn)行積分。電流型方法中由于需要實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信息和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的不穩(wěn)定性，故通常適用于低速情況，而電壓型觀測方法則不需要轉(zhuǎn)速信息，更適合中、 高速以及無速度傳感應(yīng)用場合，但純積分環(huán)節(jié)則會(huì)帶來的零點(diǎn)漂移和初值問題，且低速時(shí)下定子電阻壓降會(huì)造成觀測 結(jié)果的誤差； 本文為了克服兩種觀測模型在高、 低速應(yīng)用場合的缺點(diǎn)，結(jié)合二者在不同速度場合的特點(diǎn)和實(shí)用性，介紹了電壓－電流混合模型進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器。

二、混合模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器介紹

圖1 混合模型磁鏈觀測器控制框圖

由圖1 混合模型磁鏈觀測器控制框圖可知，混合模型由PI調(diào)節(jié)器連接電流模型和電壓模型磁鏈觀測器組成。

在兩相靜止坐標(biāo)系下，定子磁鏈的兩個(gè)分量調(diào)節(jié)器參 數(shù)相同，采用PI控制器進(jìn)行電壓模型補(bǔ)償后，電壓－電流 混合模型閉環(huán)磁鏈觀測器的簡化框圖如圖2所示。

圖2 混合模型磁鏈觀測器的簡化框圖

混合模型磁鏈觀測器的輸出合成的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)请妷耗Ｐ秃碗娏髂Ｐ桶匆欢ū壤铣傻?，其中?quán)重系數(shù)是觀測器的特征函數(shù)。合理設(shè)計(jì)PI補(bǔ)償控制來實(shí)現(xiàn)電流、電壓模型之間的平滑切換時(shí)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)?？梢钥吹皆陔姍C(jī)零速時(shí)，電壓模型的輸入值是電流模型的計(jì)算值，從而解決的電壓模型的積分初始值設(shè)定的問題。用PI控制器補(bǔ)償電壓解決了電壓 模型在低速時(shí)受到定子電阻參數(shù)誤差影響較大的問題和純積分環(huán)節(jié)的零漂問題。

圖3 不同轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的特征函數(shù)

將混合模型的特征函數(shù)代入到統(tǒng)一特性方程中，得到如下公式：

三、混合模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器仿真模型搭建

圖4 混合模型磁鏈觀測器系統(tǒng)仿真

圖5 異步電機(jī)矢量控制仿真波形變化情況

圖6 混合模型磁鏈觀測器磁鏈估計(jì)變化情況

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在改變轉(zhuǎn)速和突然加載的情況下，混合模型磁鏈觀測器都能準(zhǔn)確的估算出轉(zhuǎn)子磁鏈。

四、總結(jié)

電流型磁鏈觀測器的在低速時(shí)能夠得到較為的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測值，而隨著速度的增加，觀測器受到電機(jī)參數(shù)的影響越來越大，觀測誤差也越大，已經(jīng)不能正常工作；而電壓型磁鏈觀測器在低速時(shí)受到定子電阻壓降的影響較大，不能得到的轉(zhuǎn)子磁鏈，隨著系統(tǒng)速度的增加，定子電阻壓降的影響將會(huì)越來越小，觀測器能夠得到較為的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測值；混合模型磁鏈觀測器在低速和高速情況下，都能得到較為的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測值，而且在觀測器模型切換和電壓補(bǔ)償時(shí) 沒有出現(xiàn)明顯的振蕩。本文結(jié)合電壓型、電流型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了混合模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器，通過電流模型得到的觀測結(jié)果對電壓模型進(jìn)行修正，從而在保留了電壓型磁鏈觀測器高速性能優(yōu)良的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了觀測器在低速情況下的性能，保證混合模型磁鏈觀測器在電機(jī)全速范圍均能達(dá)到較好的觀測結(jié)果，確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，仿真結(jié)果證明了此方案的可行性。