基于混合模型磁链观测器的异步电机矢量控制设计.docx

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1、基于混合模型磁链观测器的异步电机矢量控制设计目录1.引言1?混合模型转子磁链观测器介绍2?混合模型转子磁链观测器仿真模型搭建5?矢量控制FOC6?混合模型磁链观测器6?仿真建模与波形分析7?总结91.引言调速系统中的电机控制技术的最根本的目的实现转矩精准、迅速的控制。以矢量控制的概念为基础，达到对电机的磁链、转矩分别控制的目的前提是转子的磁场定向控制系统需要通过控制定子电流的励磁分量使得转子磁链幅值恒定，而后由控制定子电流转矩分量来实现调节转矩以及实现控制调节转速的目的。为了实现这一目标，就必须获得较为精准的转子磁链的幅值和空间位置信息，在实用中通常使用磁链观测这一手段来实现。磁链观测器应实现

2、两个目标:一是获得精确的转子磁链幅值；二则需要确保转子磁场定向的准确性，从而获得实时的磁链空间位置角度以用于坐标变换。观测异步电机转子磁链的基本方法有两种一一电流模型法和电压模型法：电流型转子磁链观测通过定子电流和电机转速来计算转子磁链；而电压模型则通过定子电压和定子电流进行计算，需要对电机的反电动势进行积分。电流型方法中由于需要实时转速信息和转子时间常数的不稳定性，故通常适用于低速情况；而电压型观测方法则不需要转速信息，更适合中、高速以及无速度传感应用场合，但纯积分环节则会带来的零点漂移和初值问题，且低速时下定子电阻压降会造成观测结果的误差；?本文为了克服两种观测模型在高、低速应用场合的缺点

3、，结合二者在不同速度场合的特点和实用性，介绍了电压一电流混合模型进行转子磁链观测器。混合模型转子磁链观测器介绍由图1混合模型磁链观测器控制框图可知，混合模型由PI调节器连接电流模型和电压模型磁链观测器组成。在两相静止坐标系下，定子磁链的两个分量调节器参数相同，采用P1控制器进行电压模型补偿后，电压一电流混合模型闭环磁链观测器的简化框图如图2所示。-图2混合模型磁链观测器的简化框图=F(S)1+1-R(s)KE混合模型磁链观测器的输出合成的转子磁链是电压模型和电流模型按一定比例合成的，其中权重系数是观测器的特征函数。合理设计P1补偿控制来实现电流、电压模型之间的平滑切换时设计的重点。可以看到在电

4、机签速时，电压模型的输入值是电流模型的计算值，从而解决的电压模型的积分初始值设定的问题。用P1控制器补偿电压解决了电压模型在低速时受到定子电阻参数误差影响较大的问题和纯积分环节的零漂问题。磁链观测器特征函数F(S)电压模型1电流模型O混合模型平+总+K3十八二D十八,7.urIim：1图3不同转子磁链观测器的特征函数将混合模型的特征函数代入到统一特性方程中，得到如下公式：入S2rKpS+Kir=/+S+K+A+s+S十八PS十AjS十IpS十zG(S)=T-j(10)Xs+Xs+1J152GU(S)=KK21由式(IO)可以看出，闭环传递函数Gj包由一阶微分环节、二阶振荡环节组成，故具有低通滤

5、波的特性，而闭环传递函数Gg)则具有高通滤波的特性。由于电流、电压模型之间存在频率互补的特点，可以通过合理设计p.4来达到观测器在全速度范围精确度较高的要求。p.K的设计需要考虑该观测器能够保证一定的动态响应速度和较小的超调量，即需要考虑振荡环节的谐振峰值和系统的带宽频率。电流模型闭环传递函数Gj向中存在一个零点，可以保证系统较快的动态响应，为了保证系统的超调较小，设计K/Kj使式(IO)两个传递函数的二阶系统均处于过阻尼状态。令叼、为式(11)所示二阶系统G的两个转折频率(假设叼4),即G)和Gu(s)的两个极点：G(S)=-j(11)pS2+TS+1iJEf如果G句该系统处于过阻尼状态，系

6、统由两个转折频率分别为多、的一阶惯性环节串联，由自动控制理论可知：X=2R=310)2根据经验公式选择叼、%一般选取2,5rads，220,30TM/s，在这里选择=5rads*2=20rads0此时的G,回和G)分别呈现低通滤波和高通滤波的性质，频率响应特性如图3所示，频率的切换点约为28mds.?.混合模型转子磁链观测器仿真模型搭建图4混合模型磁链观测器系统仿真图5异步电机矢量控制仿真波形变化情况图6混合模型磁链观测器磁链估计变化情况从图6可以发现，在改变转速和突然加载的情况下，混合模型磁链观测器都能准确的估算出转子磁链。?.矢量控制FOC矢量控制(FOC,FieIdOrientedeon

7、tro1)在转子磁场定向的前提下，将定子电流分解成励磁分量和转矩分量，再利用PI调节器实现两者的独立调节得到参考电压，最后利用脉冲调制(SVPWM,SpaceVectorPu1seWidthModu1ation)成参考电压矢量对应的六路开关脉冲去触发逆变器。矢量控制在国际上一般被称为磁场定向控制技术，即用电机自身磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向和坐标变换的方向来控制电动机电流的大小、方向的控制方法。图7异步电机转子磁场定向矢量控制框图?.混合模型磁链观测器转子磁链观测器利用定子电压、定子电流或转子转速信号观测出转子磁链的相位和幅值。如果转子磁链的相位观测不准，那么定子电流的励磁分量与转矩分量

8、就不能实现完全的解耦，可能会造成系统的振荡甚至不稳定。如果观测出转子磁链的幅值偏小，会使得电机运行在弱磁状态，减小电机的带载能力；如果观测出转子磁链的幅值偏大，会导致过大的励磁电流，使电机的铁心饱和,严重时还会导致绕组过热而烧坏电机。因此决定整个矢量控制系统性能优劣的最为关键环节就是转子磁链观测器。图8混合模型磁链观测器控制框图分别采用电压模型和电流模型的感应电机矢量控制在低速和高速时估计的转子磁链精度不高。在此基础上研究电压电流混合模型转子磁链观测器，使其在低速时采用电流模型，在高速时采用电压模型，两者能平滑过渡。根据磁链观测器结构，采用开环转速估计器，并做相应的抗噪声处理，使它结构简单，能

9、满足动态和稳态的要求。现有文献定义了一种统一的转子磁链特性方程，几乎所有的线性磁链观测器都可以用其表示，方程如下：r=F(S)聊If+1-F(Syi岐“电流型磁链观测器使用的是旋转坐标系dq坐标系下的实现方式：她=i产一曲”dtsarr(ITS+1)%d=isd1m31.1-d-mWr1(JrS+1)电压型磁链观测器的实现方式：誓=USTSR1混合模型磁链观测器的实现方式：“UComPX=Kp(*aB-ra)+KiJ(WAB-ra)dtsafiPsaRSiSaB-UCOrnPX)dt*,以小十%一亡M注：Comp*的作用：抑制解决电压型磁链观测器中由纯积分环节引起的零漂问题。?.仿真建模与波形

10、分析由于篇幅原因，只比较低速区域下的磁链观测情况。图9基于混合模型磁链观测器的FOC控制仿真系统T一转:磁跳幅值,(c)混合模型磁链观测器.，图32各种磁链观测器的估计磁链变换情况(150rmin)，从图(32)可知，电流型磁链观测器在低速区域的观测性能最好；电压模型磁链观测器在低速区域的观测性能最差；相反，在高速区域，电压模型的观测性能最好，电流模型的观测性能最差；混合模型磁链观测器的观测性能居中。图IO基于混合模型磁链观测器的异步电机FoC控制系统仿真波形(1500rmin)?.总结混合模型磁链观测器集合了电流模型磁链观测器在低速区域的优点和电压模型磁链观测器在高速区域的优点，实现在全速范

11、围内较为准确地观测转子磁链。电流型磁链观测器的在低速时能够得到较为精确的转子磁链观测值，而随着速度的增加，观测器受到电机参数的影响越来越大，观测误差也越大，已经不能正常工作；而电压型磁链观测器在低速时受到定子电阻压降的影响较大，不能得到精确的转子磁链，随着系统速度的增加，定子电阻压降的影响将会越来越小，观测器能够得到较为精确的转子磁链观测值；混合模型磁链观测器在低速和高速情况下，都能得到较为精确的转子磁链观测值，而且在观测器模型切换和电压补偿时没有出现明显的振荡。本文结合电压型、电流型转子磁链观测器的优缺点，介绍了混合模型转子磁链观测器，通过电流模型得到的观测结果对电压模型进行修正，从而在保留了电压型磁链观测器高速性能优良的基础上，优化了观测器在低速情况下的性能，保证混合模型磁链观测器在电机全速范围均能达到较好的观测结果，确保整个系统的稳定性，仿真结果证明了此方案的可行性。