基于轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)定向校正

0轉(zhuǎn)子磁場定向校正算法異步電機(jī)是一種非線性的高多變量非線性耦合系統(tǒng)。矢量控制的應(yīng)用使異步電機(jī)可以獲得像直流電機(jī)一樣的控制性能。常用的矢量控制方法是直接轉(zhuǎn)子磁場定向控制和間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制,然而,這兩種定向方法都受電機(jī)參數(shù)非線性變化的影響。在間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)中,由于需要根據(jù)轉(zhuǎn)子時間常數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率,因而控制系統(tǒng)定向精度受轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的影響。在直接轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)中,由于需要計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈,因而也會受定子電阻或電感等參數(shù)的影響。現(xiàn)有的解決方法主要分為兩類,第一類是通過辨識電機(jī)參數(shù),間接提高定向精度。其中,王明渝等研究了離線參數(shù)辨識方法,該方法可為在線參數(shù)辨識提供參數(shù)初始值,但不能實(shí)現(xiàn)在線辨識。文獻(xiàn)研究了定子電阻辨識算法,可用于基本矢量控制系統(tǒng)或無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中,但該算法受電機(jī)電感參數(shù)的影響很大。文獻(xiàn)研究了轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的辨識方法。文獻(xiàn)提出的方法實(shí)現(xiàn)簡單,但需要已知電機(jī)其他參數(shù),文獻(xiàn)提出了基于模型參考自適應(yīng)理論的轉(zhuǎn)子時間常數(shù)辨識方法,通過辨識轉(zhuǎn)子時間常數(shù),實(shí)現(xiàn)間接磁場定向控制。為了提高精度,加入了死區(qū)補(bǔ)償算法。然而,在低速輕載的場合,經(jīng)常會發(fā)生零電流鉗位現(xiàn)象,電流方向判斷困難,造成死區(qū)補(bǔ)償偏差,并且該算法只適用于間接磁場定向控制。文獻(xiàn)研究了轉(zhuǎn)子電阻在線辨識方法,然而文獻(xiàn)依賴于電感參數(shù),文獻(xiàn)依賴于定子電阻,這都降低了系統(tǒng)控制精度。第二類則是直接以提高定向精度為目標(biāo),設(shè)計(jì)定向校正系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確定向。其中,孫大南等設(shè)計(jì)了實(shí)用的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向校正算法,但該算法受定子電阻和死區(qū)的影響。樊揚(yáng)等設(shè)計(jì)了基于轉(zhuǎn)子磁鏈q軸分量的異步電機(jī)間接矢量控制轉(zhuǎn)差頻率校正算法,然而,該算法會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行過程中易產(chǎn)生振蕩甚至不能正常起動,且該算法只適用于間接磁場定向控制。陸海峰等提出了基于無功功率的磁場定向校正算法,該算法克服了定子電阻的影響。然而,在計(jì)算無功功率時,采用參考電壓代替實(shí)際電壓,會受到死區(qū)的影響。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,往往要求控制算法簡單可靠,因此,直接設(shè)計(jì)校正系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定向校正的方法更為實(shí)用。本文在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,為了克服死區(qū)影響,提出了一種改進(jìn)的轉(zhuǎn)子磁場定向校正算法。該算法基于定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈的點(diǎn)乘,根據(jù)模型參考自適應(yīng)理論建立閉環(huán),既可用于直接轉(zhuǎn)子磁場定向校正,也可用于間接轉(zhuǎn)子磁場定向校正,不受定子電阻的影響,且可直接采用參考電壓代替實(shí)際電壓,不受死區(qū)的影響。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都驗(yàn)證了該算法的有效性。1基于轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)基于無功功率的轉(zhuǎn)子磁場定向校正算法采用的參考模型如式(1)所示,調(diào)整模型如式(2)所示。式中:Lm為勵磁電感;Lr為轉(zhuǎn)子電感;isd_ref為d軸定子電流指令值;w為同步頻率;usα、usβ為靜止αβ坐標(biāo)系下的定子電壓;isα、isβ為靜止αβ坐標(biāo)系下的定子電流;Ls為定子電感;σ為漏感系數(shù),σ=1-Lm2/(LsLr);is為定子電流幅值。由式(1)可知,參考模型需要同步頻率信息。而矢量控制系統(tǒng)受電機(jī)參數(shù)的影響,造成同步頻率出現(xiàn)偏差,使參考模型受定向影響,而調(diào)整模型也受定向影響,最終造成系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較差。由式(2)可知,調(diào)整模型的計(jì)算需要定子電壓信息,通常采用參考電壓代替實(shí)際電壓,這會受到死區(qū)的影響,造成定向不準(zhǔn)。為此,本文提出了一種改進(jìn)的算法。在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)中,通常定義轉(zhuǎn)子磁鏈位于d軸,q軸超前d軸90uf0b0。采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制,在定向準(zhǔn)確時,轉(zhuǎn)子磁鏈滿足以下關(guān)系式:式中:isd為d軸定子電流;Ψrd、Ψrq分別為d、q軸的轉(zhuǎn)子磁鏈。由于電機(jī)參數(shù)的變化,電機(jī)定向角度常常偏于真實(shí)的轉(zhuǎn)子磁鏈角度。在isq>0時,定向不準(zhǔn)主要分為定向超前和定向滯后兩種情況。當(dāng)定向超前時,如圖1所示,d軸勵磁電流偏小,導(dǎo)致d軸轉(zhuǎn)子磁鏈偏小,定子電流幅值不變,定子電流與d軸夾角偏大,這導(dǎo)致is·Ψr偏小。當(dāng)定向滯后時,如圖2所示,d軸轉(zhuǎn)子磁鏈偏大,定子電流幅值不變,定子電流與d軸夾角偏小,這導(dǎo)致is·Ψr偏大。綜上分析,當(dāng)定向超前時,真實(shí)的定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈點(diǎn)乘偏小,當(dāng)定向滯后時,真實(shí)的定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈點(diǎn)乘偏大。當(dāng)定向準(zhǔn)確時,定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈點(diǎn)乘為當(dāng)定向不準(zhǔn)時,真實(shí)的定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈點(diǎn)乘為式中Ψra、Ψrb為靜止αβ坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子磁鏈。因此,可以以式(5)作為參考模型,式(6)作為調(diào)整模型,根據(jù)模型參考自適應(yīng)理論構(gòu)成一種改進(jìn)的閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定向校正。由式(5)可知,該算法參考模型不需要同步頻率,不受定向精度影響,因此,該系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)更好?？紤]式(5)的物理意義可知,該算法本質(zhì)上是一種基于勵磁電感能量的模型參考自適應(yīng)算法。2基于低通濾波器的積分補(bǔ)償算法調(diào)整模型計(jì)算需要轉(zhuǎn)子磁鏈信息。常用的轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算模型主要有電壓模型和電流模型,而電流模型受電機(jī)參數(shù)影響嚴(yán)重;因此,為了盡量減小參數(shù)的影響,本文采用電壓模型計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈,如式(7)所示。式中Rs為定子電阻。將式(7)代入式(6),可得穩(wěn)態(tài)時有,可得由式(8)可以看出,調(diào)整模型不受定子電阻的影響。為了解決積分問題,本文采用文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的采用低通濾波器代替積分并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)乃惴ā４送?調(diào)整模型的計(jì)算需要定子電壓,在實(shí)際系統(tǒng)中,通常采用參考電壓代替實(shí)際電壓,但這會受死區(qū)的影響。為此,需要分析死區(qū)對本算法調(diào)整模型計(jì)算的影響。假設(shè)控制的開關(guān)周期為Ts,死區(qū)時間為t,直流側(cè)電壓為Udc,不考慮開關(guān)過程及管壓降時,真實(shí)的電壓和參考電壓的關(guān)系可以表示為考慮坐標(biāo)系abc到αβ的坐標(biāo)變換,易得假設(shè)ia=Icos(ωt),則ib=Icos(ωt-2π/3),ic=Icos(ωt-4π/3),可得其中,通過分析可知(分析過程參見附錄A),S在周期[0,2π/uf077]內(nèi)的平均值為0。因此,只要考慮周期平均值,便有由式(13)可見,該算法調(diào)整模型采用參考電壓計(jì)算,結(jié)果與采用實(shí)際電壓相同,即該算法調(diào)整模型不受死區(qū)影響,因此,該算法可提高定向校正精度。3定向校正分析3.1誤差的動態(tài)響應(yīng)圖3給出了定向超前時的定子電流矢量圖,可得如下關(guān)系式:根據(jù)三角函數(shù)和差化積公式可得由于采用電流閉環(huán)控制,穩(wěn)態(tài)時有式中isq_ref為q軸電流指令值。在dq坐標(biāo)系下分析誤差的動態(tài)響應(yīng)。定義誤差為式中:相當(dāng)于是參考模型;是調(diào)整模型。當(dāng)不考慮電機(jī)參數(shù)偏差時,有由于很小,將其忽略后可得將式(14)代入式(15),可得由式(16)可知,在時,G(s)>0,此時,當(dāng)△θ>0,即定向超前時,調(diào)整模型偏小,誤差ε>0;反之,當(dāng)△θ<0時ε<0。這與第2節(jié)原理分析結(jié)果一致。因此,可采用簡單的PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)定向校正。只要選擇PI參數(shù)大于0,便可保證系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能。3.2穩(wěn)定期分析3.2.1lm,ls0如式(8)所示,考慮到漏感很小,可認(rèn)為Lr≈Lm,σLs≈0。又由以上分析可知,調(diào)整模型計(jì)算不受死區(qū)的影響。因此,可近似認(rèn)為該算法調(diào)整模型對校正系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度沒有影響。3.2.2環(huán)境電量參數(shù)的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)分析由式(5)可知,參考模型含有勵磁電感參數(shù),受勵磁飽和的影響,給定向校正帶來偏差。假設(shè)勵磁電感額定值為Lm,由于運(yùn)行條件的變化導(dǎo)致其實(shí)際值增大為Lm+△Lm。由以上分析,可認(rèn)為調(diào)整模型不受電機(jī)參數(shù)及死區(qū)影響。當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時,ε=0,調(diào)整模型等于。這時,因參考模型參數(shù)變化導(dǎo)致的誤差εL為綜合以上動態(tài)與穩(wěn)態(tài)分析,得到如圖4所示的閉環(huán)校正系統(tǒng)框圖。在恒磁通控制時,勵磁電感不變,εL=0。此時,當(dāng)ε>0時,控制使△θ<0,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器減小ε;當(dāng)ε<0時,控制使△θ>0,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器增大ε,最終使ε收斂于0。然而,在電動汽車等驅(qū)動場合,為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效率控制,常常采用變磁鏈控制,導(dǎo)致勵磁電感變化,εL≠0。當(dāng)εL>0時,參考模型偏大,穩(wěn)態(tài)時應(yīng)使ε=εL>0,才能保證定向得到正確校正,反之控制使ε=εL<0。因此,如果要精確控制,必須已知εL。為了得到勵磁電感參數(shù),文獻(xiàn)[18-20]研究了勵磁電感在線辨識算法,然而這些算法增加了系統(tǒng)的運(yùn)算量,提高了系統(tǒng)對控制器的要求。但是,如果忽略εL,也必然給控制系統(tǒng)帶來誤差。為了補(bǔ)償勵磁電感對校正系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的影響,本文采用離線參數(shù)辨識的方法得到勵磁電感與勵磁電流的關(guān)系Lm=f(isd_ref),將其代入閉環(huán)校正系統(tǒng),實(shí)時修改勵磁電感參數(shù),提高校正系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。由以上分析,給出定向校正環(huán)節(jié)的具體實(shí)施方法,如圖5所示。4試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果4.1加定向校正前后的轉(zhuǎn)子磁鏈幅值動態(tài)變化仿真仿真采用的異步電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。仿真時給定勵磁電流為35A,轉(zhuǎn)矩電流為72A,機(jī)械轉(zhuǎn)速為60rad/s。圖6(a)、(b)分別給出了定向超前與滯后時,加定向校正閉環(huán)前后的轉(zhuǎn)子磁鏈幅值動態(tài)變化仿真結(jié)果。在圖6(a)中,1.2s前定向準(zhǔn)確,1.2s時在定向角度上突加3rad。由圖6(a)可見,沒有校正時,由于定向超前,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鏈幅值減小;加校正后,轉(zhuǎn)子磁鏈幅值基本不變。在圖6(b)中,1.2s前定向準(zhǔn)確,1.2s時在定向角度上突減3rad。由圖6(b)可見,沒有校正時,由于定向滯后,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鏈幅值增大;加校正后,轉(zhuǎn)子磁鏈幅值基本不變。這與理論分析一致,表明該校正算法可以顯著提高系統(tǒng)定向精度。4.2電機(jī)轉(zhuǎn)子時間常數(shù)實(shí)驗(yàn)中采用的電機(jī)與仿真所用電機(jī)參數(shù)一致(參見表1)。采用DSP28335構(gòu)成控制器。開關(guān)頻率為2kHz,死區(qū)時間為6μs。采用間接矢量控制算法,離線辨識得到轉(zhuǎn)子時間常數(shù)為0.186,其中轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr的定義如式(17)所示。圖7給出了不同轉(zhuǎn)子時間常數(shù)下空載運(yùn)行時的實(shí)測電壓–頻率曲線。給定額定勵磁電流為35A。由圖7可知,對于不同的轉(zhuǎn)子時間常數(shù),其輸出電壓基本相等,這是由空載條件下轉(zhuǎn)矩電流很小,轉(zhuǎn)差頻率很低造成的。這說明空載時電機(jī)端電壓可代表定向準(zhǔn)確時的電機(jī)端電壓。加載時,如果定向準(zhǔn)確,則電機(jī)電壓應(yīng)保持空載時的電壓值基本不變。圖8給出了轉(zhuǎn)矩電流為21.9A時的加定向校正閉環(huán)和不加定向校正閉環(huán)時的實(shí)測電壓–頻率曲線。可見,不加定向校正閉環(huán)時,定向偏差嚴(yán)重。這主要是由于電機(jī)轉(zhuǎn)子時間常數(shù)不僅受勵磁電感影響,而且受集膚效應(yīng)和電機(jī)的非線性特性的影響。加定向校正閉環(huán)后,電機(jī)輸出電壓接近空載時的電機(jī)電壓,定向得到校正?；跓o功功率的算法受死區(qū)的影響,因而定向校正精度受到限制。圖9比較了采用本文所提算法和基于無功功率算法的磁場定向校正效果。由圖9可見,由于基于無功功率的算法受死區(qū)的影響,導(dǎo)致參考模型大于真實(shí)值,造成定向超前,勵磁電流偏小,電機(jī)電壓偏小,本文所提算法則較好的實(shí)現(xiàn)了定向校正。圖10給出了沒有校正時不同頻率、不同轉(zhuǎn)矩電流時的電壓曲線。圖10中從下至上頻率從15Hz開始以5Hz的間隔增加到80Hz。圖11給出了加入校正環(huán)時的對應(yīng)電壓曲線。對比圖10和圖11可見,加入校正控制后,克服了電機(jī)參數(shù)非線性變化的影響,系統(tǒng)定向精度顯著提高。5出入資料的規(guī)制針對異步電機(jī)參數(shù)對磁場定向控制的影響問題,設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的轉(zhuǎn)子磁場定向校正算法,解釋了其校正原理,研究了死區(qū)對該算法的影響,并與無功功率算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比。由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,該方法不受死區(qū)影響,與傳統(tǒng)的基于無功功率的算法相比,采用該方法可以提高磁場定向校正精度。Theparametersofinductionmotorsareaffectedbytemperature,fieldcurrentandsoon,whichresultsinorienteddeviationintherotorfluxorientedvectorcontrol.Althoughthealgorithmbasedonreactivepowercanrealizeorientedcorrection,thecorrectionalaccuracyisaffectedbythedeadzone.Therefore,amodifiedmethodisproposedbasedonthedotproductofthestatorcurrentandrotorflux.Aclosed-loopsystemisestablishedbasedonthemodelreferenceadaptiveprinciple.Thenequation(1)ischosenasthereferencemodelwithequation(2)astheadjustablemodel.Thecorrectionalaccuracyisimprovedbecausetheadjustablemodelisindependentofthedeadzonewhenthereferencevoltageisusedinsteadoftheactualvoltage.Fig.1isthespecificimplementationdiagramofthisalgorithm.Alargenumberofsimulationandexperimentalresultsaregiveninthispapertoverifytheeffectivenessoftheproposedalgorithm.Fig