基于電壓型磁鏈觀測(cè)器的異步電機(jī)矢量控制學(xué)習(xí)

導(dǎo)讀：本期主要介紹電壓型磁鏈觀測(cè)器（voltage flux observer）在靜止坐標(biāo)系下的表現(xiàn)形式，應(yīng)用在異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中。

一、引言

磁鏈估計(jì)是高性能交流感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的重要組成部分。而磁鏈在實(shí)際應(yīng)用中一般不用傳感器直接檢測(cè)，所以現(xiàn)代交流電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)常用磁鏈估計(jì)模型來(lái)估算磁鏈。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，要考慮磁飽和、溫度等干擾信號(hào)對(duì)電機(jī)參數(shù)造成偏差的影響，所以如何在電機(jī)全速范圍內(nèi)獲得準(zhǔn)確的磁鏈即提高磁鏈觀測(cè)器的參數(shù)魯棒性成為眾多學(xué)者的研究?jī)?nèi)容。

轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器利用定子電壓、定子電流或轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號(hào)觀測(cè)出轉(zhuǎn)子磁鏈的相位和幅值。如果轉(zhuǎn)子磁鏈的相位觀測(cè)不準(zhǔn)，那么定子電流的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量就不能實(shí)現(xiàn)完全的解耦，可能會(huì)造成系統(tǒng)的振蕩甚至不穩(wěn)定。如果觀測(cè)出轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值偏大，會(huì)使得電機(jī)運(yùn)行在弱磁狀態(tài)，減小電機(jī)的帶載能力；如果觀測(cè)出轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值偏小，會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，使電機(jī)的鐵心飽和，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致繞組過(guò)熱而燒壞電機(jī)。因此決定整個(gè)矢量控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器。

二、電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器

在靜止坐標(biāo)系下基于電壓模型的轉(zhuǎn)子磁鏈向量表達(dá)式如下：

從上式可以發(fā)現(xiàn)電壓型觀測(cè)器具有以下特點(diǎn)：

（1）該模型與轉(zhuǎn)子電阻Rr無(wú)關(guān)，且不需要電機(jī)轉(zhuǎn)速 信息，適合用于無(wú)速度傳感器矢量控制；

（2）包含一純積分項(xiàng)，被積項(xiàng)的初始相位與直流偏置都會(huì)影響積分結(jié)果；

（3）低速時(shí)觀測(cè)器性能較差。因?yàn)榈退贂r(shí)給定的定子電壓幅值小，電機(jī)端電壓難以精確獲得，定子電阻的阻值在運(yùn)行過(guò)程中又會(huì)發(fā)生變化，使得被積項(xiàng)產(chǎn)生明顯的相對(duì)誤差。

針對(duì)電壓模型磁鏈觀測(cè)器包含純積分環(huán)節(jié)和低速性能差的問(wèn)題，主要有三個(gè)改進(jìn)措施：

(1) 采用其他環(huán)節(jié)來(lái)替換純積分環(huán)節(jié)，例如用一階低通濾波環(huán)節(jié)，針對(duì)一階低通濾波環(huán)節(jié)會(huì)帶來(lái)幅值和相位的誤差以及無(wú)法消除直流偏置影響的問(wèn)題，現(xiàn)有文獻(xiàn)提出了許多改進(jìn)型的積分器；

（2）對(duì)逆變器的非線性誤差電壓進(jìn)行補(bǔ)償。逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)中存在的死區(qū)時(shí)間、開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降和開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間都會(huì)使得逆變器的參考電壓和實(shí)際輸出電壓產(chǎn)生一定誤差，尤其在低速時(shí)，由于給定電壓的幅值小，重構(gòu)的定子電壓與實(shí)際值的相對(duì)誤差變得尤為明顯。如何盡可能地減少給定電壓與逆變器輸出實(shí)際電壓的誤差不單是電壓模型磁鏈觀測(cè)器的問(wèn)題，這是所有用到定子電壓的磁鏈觀測(cè)器共性問(wèn)題。

（3）加入定子電阻的在線辨識(shí)，使得在控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中定子電阻參數(shù)能夠跟隨其實(shí)

際值變化。

三、模型搭建

圖1 基于電壓模型的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真

圖2 電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器模型搭建

圖3 仿真波形變化情況

四、總結(jié)

傳統(tǒng)的電壓型磁鏈觀測(cè)器包含純積分環(huán)節(jié)，在低速區(qū)域存在初始值問(wèn)題和直流偏置的問(wèn)題，對(duì)電機(jī)參數(shù)敏感。針對(duì)這些問(wèn)題，下期文章將介紹一種濾波器串聯(lián)的方法來(lái)替換純積分環(huán)節(jié)來(lái)解決初始值誤差和直流偏置的問(wèn)題。

審核編輯：湯梓紅