磁鏈觀測器在異步電機(jī)矢量控制中的應(yīng)用

導(dǎo)讀：本期文章主要是介紹電壓型磁鏈觀測器和電流型磁鏈觀測器。兩種磁鏈觀測器運(yùn)用到異步電機(jī)矢量控制中，外環(huán)磁鏈環(huán)用磁鏈觀測器形成閉環(huán)，分析電壓型和電流型磁鏈觀測器的觀測性能。

一、研究背景及意義

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，所以現(xiàn)代交流電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)常用磁鏈估計(jì)模型來估算磁鏈。在電機(jī)運(yùn)行過程中，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器的參數(shù)魯棒性成為眾多學(xué)者的研究內(nèi)容。

轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器利用定子電壓、定子電流或轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號(hào)觀測出轉(zhuǎn)子磁鏈的相位和幅值。如果轉(zhuǎn)子磁鏈的相位觀測不準(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;如果觀測出轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值偏小，會(huì)導(dǎo)致過大的勵(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)子磁鏈觀測器。

二、開環(huán)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器

2.1、電壓型磁鏈觀測器

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)電壓型觀測器具有以下特點(diǎn)：

(1)該模型與轉(zhuǎn)子電阻Rr無關(guān)，且不需要電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，適合用于無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)電壓模型磁鏈觀測器包含純積分環(huán)節(jié)和低速性能差的問題，主要有三個(gè)改進(jìn)措施：

(1) 采用其他環(huán)節(jié)來替換純積分環(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)帶來幅值和相位的誤差以及無法消除直流偏置影響的問題，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、開關(guān)管的導(dǎo)通壓降和開通關(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器的問題，這是所有用到定子電壓的磁鏈觀測器共性問題。

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

2.2、電流型磁鏈觀測器

靜止坐標(biāo)系下的基于電流模型的轉(zhuǎn)子磁鏈向量表達(dá)式如下：

從上式可以發(fā)現(xiàn)電流型觀測器具有以下特點(diǎn)：

(1)需要實(shí)測的定子電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)，不需要定子電壓信號(hào);

(2)包含轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)與互感Lm參數(shù)，當(dāng)電機(jī)溫升和磁路飽時(shí)會(huì)對(duì)這些參數(shù)產(chǎn)生較大影響;

(3)不包含純積分環(huán)節(jié)，故其觀測值是漸進(jìn)收斂的。

三、敏感性分析

3.1、基于電流型磁鏈觀測器的參數(shù)敏感性分析

圖(1)轉(zhuǎn)子電阻取0.5和1.5倍時(shí)基于電流型的磁鏈比值函數(shù)的波特圖

圖(2)互感取0.5和1.5倍時(shí)基于電流型的磁鏈比值函數(shù)的波特圖

(1)、基于電流模型的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器不受定子電阻偏差的影響;

(2)、基于電流模型的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器在空載時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子電阻偏差不敏感，但隨著負(fù)載的增大，對(duì)轉(zhuǎn)子電阻偏差的敏感性提高;

(3)、基于電流模型的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器對(duì)互感的偏差較敏感。

3.2、基于電壓型磁鏈觀測器的參數(shù)敏感性分析

圖(3)定子電阻取0.5和1.5倍空載時(shí)基于電壓型的磁鏈比值函數(shù)的波特圖

圖(4)定子電阻取0.5和1.5倍滿載時(shí)基于電壓型的磁鏈比值函數(shù)的波特圖

(1)、基于電壓模型的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器不受電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻偏差的影響;

(2)、在低速段，基于電壓模型的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器對(duì)定子電阻的偏差十分敏感，定子電阻的偏差會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鏈的估計(jì)值出現(xiàn)較大的幅值和相位誤差;在中、高速段，基于電壓模型的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器對(duì)定子電阻的偏差不敏感。

(3)基于電壓模型的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器對(duì)互感的偏差不敏感。

3.2、小結(jié)

現(xiàn)有參考文獻(xiàn)中對(duì)電壓模型和電流模型磁鏈觀測器的參數(shù)敏感性分析，綜合來看，電流模型不需要電壓信號(hào)且不包含純積分環(huán)節(jié)，更適合低速運(yùn)行狀態(tài);電壓模型里不包含轉(zhuǎn)子電阻，電機(jī)參數(shù)魯棒性更強(qiáng)，因此中、高速時(shí)性能優(yōu)于電流模型。為了充分利用兩種模型的優(yōu)點(diǎn)，可以將兩種模型結(jié)合起來，在低速時(shí)采用電流模型，在中、高速時(shí)采用電壓模型。下面介紹一種電壓電流混合模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器。(暫定)

四、仿真建模

這次異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真共有三個(gè)，主體仿真框架一樣，主要改變磁鏈估計(jì)模塊。本期文章主要介紹三種磁鏈估計(jì)方式，一種是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)、另外兩種是靜止坐標(biāo)系下的電流型磁鏈觀測器和電壓型磁鏈觀測器。

4.1電機(jī)參數(shù)

4.2電機(jī)運(yùn)行的工況

仿真中異步電機(jī)的參數(shù)如上表所示。仿真運(yùn)行的采樣率為5K，在0.7秒前，速度參考值設(shè)為1500r/min，在0.7秒后參考速度設(shè)置為1000r/min(中高速區(qū)域)，低速區(qū)域設(shè)為300r/min后降到150r/min(低速區(qū)域)。在0.4秒前，電機(jī)空載，在0.4秒之后給電機(jī)加14N.m的負(fù)載。

4.3仿真波形分析