基于轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制系統(tǒng)定向校正

基于轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制系統(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)。矢量控制的應用使異步電機可以獲得像直流電機一樣的控制性能。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?，F(xiàn)有的解決方法主要分為兩類,第一類是通過辨識電機參數(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,但不能實現(xiàn)在線辨識。文獻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,但該算法受電機電感參數(shù)的影響很大。文獻研究了轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的辨識方法。文獻提出的方法實現(xiàn)簡單,但需要已知電機其他參數(shù),文獻提出了基于模型參考自適應理論的轉(zhuǎn)子時間常數(shù)辨識方法,通過辨識轉(zhuǎn)子時間常數(shù),實現(xiàn)間接磁場定向控制。為了提高精度,加入了死區(qū)補償算法。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)補償偏差,并且該算法只適用于間接磁場定向控制。文獻研究了轉(zhuǎn)子電阻在線辨識方法,然而文獻依賴于電感參數(shù),文獻依賴于定子電阻,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,設計定向校正系統(tǒng),實現(xiàn)系統(tǒng)準確定向。其中,孫大南等設計了實用的異步電機轉(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。樊揚等設計了基于轉(zhuǎn)子磁鏈q軸分量的異步電機間接矢量控制轉(zhuǎn)差頻率校正算法,然而,該算法會導致系統(tǒng)運行過程中易產(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,在計算無功功率時,采用參考電壓代替實際電壓,會受到死區(qū)的影響。在實際的工程應用中,往往要求控制算法簡單可靠,因此,直接設計校正系統(tǒng),實現(xiàn)系統(tǒng)定向校正的方法更為實用。本文在文獻的基礎上,為了克服死區(qū)影響,提出了一種改進的轉(zhuǎn)子磁場定向校正算法。該算法基于定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈的點乘,根據(jù)模型參考自適應理論建立閉環(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際電壓,不受死區(qū)的影響。理論分析和實驗結(jié)果都驗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坐標系下的定子電壓;isα、isβ為靜止αβ坐標系下的定子電流;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)響應較差。由式(2)可知,調(diào)整模型的計算需要定子電壓信息,通常采用參考電壓代替實際電壓,這會受到死區(qū)的影響,造成定向不準。為此,本文提出了一種改進的算法。在異步電機轉(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。由于電機參數(shù)的變化,電機定向角度常常偏于真實的轉(zhuǎn)子磁鏈角度。在isq>0時,定向不準主要分為定向超前和定向滯后兩種情況。當定向超前時,如圖1所示,d軸勵磁電流偏小,導致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,這導致is·Ψr偏小。當定向滯后時,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,這導致is·Ψr偏大。綜上分析,當定向超前時,真實的定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈點乘偏小,當定向滯后時,真實的定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈點乘偏大。當定向準確時,定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈點乘為當定向不準時,真實的定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈點乘為式中Ψra、Ψrb為靜止αβ坐標系下的轉(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)模型參考自適應理論構(gòu)成一種改進的閉環(huán)系統(tǒng)實現(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算法。2基于低通濾波器的積分補償算法調(diào)整模型計算需要轉(zhuǎn)子磁鏈信息。常用的轉(zhuǎn)子磁鏈計算模型主要有電壓模型和電流模型,而電流模型受電機參數(shù)影響嚴重;因此,為了盡量減小參數(shù)的影響,本文采用電壓模型計算轉(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,本文采用文獻設計的采用低通濾波器代替積分并進行補償?shù)乃惴?。此?調(diào)整模型的計算需要定子電壓,在實際系統(tǒng)中,通常采用參考電壓代替實際電壓,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)整模型計算的影響。假設控制的開關(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,真實的電壓和參考電壓的關(guān)系可以表示為考慮坐標系abc到αβ的坐標變換,易得假設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算,結(jié)果與采用實際電壓相同,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坐標系下分析誤差的動態(tài)響應。定義誤差為式中:相當于是參考模型;是調(diào)整模型。當不考慮電機參數(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△θ>0,即定向超前時,調(diào)整模型偏小,誤差ε>0;反之,當△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,可認為Lr≈Lm,σLs≈0。又由以上分析可知,調(diào)整模型計算不受死區(qū)的影響。因此,可近似認為該算法調(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。假設勵磁電感額定值為Lm,由于運行條件的變化導致其實際值增大為Lm+△Lm。由以上分析,可認為調(diào)整模型不受電機參數(shù)及死區(qū)影響。當閉環(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ε>0時,控制使△θ<0,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器減小ε;當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,為了實現(xiàn)最優(yōu)效率控制,常常采用變磁鏈控制,導致勵磁電感變化,εL≠0。當εL>0時,參考模型偏大,穩(wěn)態(tài)時應使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[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)的具體實施方法,如圖5所示。4試驗和試驗結(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電機轉(zhuǎn)子時間常數(shù)實驗中采用的電機與仿真所用電機參數(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)下空載運行時的實測電壓–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。這說明空載時電機端電壓可代表定向準確時的電機端電壓。加載時,如果定向準確,則電機電壓應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)時的實測電壓–頻率曲線。可見,不加定向校正閉環(huán)時,定向偏差嚴重。這主要是由于電機轉(zhuǎn)子時間常數(shù)不僅受勵磁電感影響,而且受集膚效應和電機的非線性特性的影響。加定向校正閉環(huán)后,電機輸出電壓接近空載時的電機電壓,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,導致參考模型大于真實值,造成定向超前,勵磁電流偏小,電機電壓偏小,本文所提算法則較好的實現(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)制針對異步電機參數(shù)對磁場定向控制的影響問題,設計了一種改進的轉(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行了實驗對比。由仿真和實驗結(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