基于磁通观测器的电压前馈型解耦矢量控制系统

1、基于磁通观测器的电压前馈型解耦矢量控制系统Feed For w ard Voltage Decoupling V ector Control System B ased on Flux Observer李汉强刘玉娟高承伟(武汉理工大学自动化学院430063Li H anqiang Liu Yujuan G ao Chengw ei (Wuhan University of Technology 430063China 摘要提出基于磁通观测器的电压前馈型解耦矢量控制系统结构, 该系统的特点是用电流预测误差对磁通仿真器及电压前馈型结构进行补偿。设计了控制器, 建立了系统数学模型, 并用C 语言仿真

2、研究了控制系统动态特性, 仿真研究表明该系统能对定、转子变化具有鲁棒性, 并能提高系统转矩控制精度。关键词:异步电动机磁通观测器电压前馈型解耦中图分类号:TM30112Abstract A feed forward voltage decoupling on brought forward. The main feature of this the and feed forward part using predicted of the system is built up. The simulation using C has characteristics ,robustness when

3、 the stator resistance changes and at the The precision of control can be achieved.K eyw ords :Induction motor ,flux observer ,feed forward voltage decoupling ,vector control教育部留学回国人员科研启动基金资助项目。李汉强男,1945年生, 博士, 武汉理工大学自动化学院教授, 从事异步电动机矢量控制系统研究。刘玉娟女,1977年生, 武汉理工大学自动化学院硕士研究生, 从事自动化与电机控制研究。1前言异步电动机矢量控制按驱

4、动源可分为电压源驱动和电流源驱动两种。前者不需要交流电流控制环, 容易实现全数字化控制装置。另外, 从控制性能来看, 也是前者优越于后者, 因此目前矢量控制系统大多采用电压源驱动方式14。在电压源驱动矢量控制过程中, 通常用旋转坐标dq 轴系的电流i 3sd 、i 3sq 经解耦电路获得电压指令值。电压解耦有电压前馈型和电压反馈型两种实现方法。电压前馈型是采用控制器的电动机参数计算, 即运行前室温时测得的电动机参数, 系统受电动机参数实际值的变化影响很大。电压反馈型采用电动机实际电压与电流, 按磁通仿真器模型求得转子磁链rd 和rq , 与控制器中计算所得的转子磁链3rd 和3rq 分别进行比

5、较后, 通过磁通调节器求得dq 轴系电流指令值i 3sd 和i 3sq , 再用解耦电路求得电压指令值u 3sd 和u 3sq 5,6。后者结构比前者复杂。为保持电压前馈型解耦矢量控制系统结构简单的优点, 克服系统受电动机参数变化影响较大的缺点, 本文采用在磁通观测器及解耦结构中分别增加电流预测误差修正的PI 控制, 来提高系统对电动机电阻参数变化的鲁棒性和控制精度。2矢量控制的基本方程式以同步角速度1旋转的两相坐标系dq 轴下异步电动机电压方程式如下:12第18卷第4期电工技术学报2003年8月u sd u sq00=r s +L s p -1L sM p /L r-1M/L r 1L sr

6、 s + L s p 1M/L rM p /L r -r Mr +p -(1-r -r M1-rr +pi sd i sqrd (1式中u sd , u sq 定子dq 轴电压i sd , i sq 定子dq 轴电流r s , r r 定、转子电阻L s , L r 定、转子等效自感M 等效互感1转子磁链同步角速度r 电动机角速度p 微分算子, p =d tr 转子系数, r =r r /L r漏磁系数, =1-M 2/(L s L r , :链r s 点。T e =pM (i sq rd -i sd rq /L r(2式中p 电动机极对数电动机运动方程p d t=T e -T L (3式中J

7、 转动惯量T L 负载转矩3控制器设计311磁通观测器模型在转子磁场定向控制时, 转子磁链估算是至关重要的一环, 如果转子磁链估算不准确, 转子磁场定向控制系统会失去应有的优点, 将无法实现转矩和 磁通的解耦控制。转子磁链估算基本分为两种类型, 电压模型和电流模型7。本文采用改进的电流模型估算转子磁链。原理如下, 由式(1 转子回路得电流模型psd 3=-3r 31-r r -31-3rsd 3+M33ri sd i 3(4本文中带3者为控制器内电动机参数物理量或指令值, 无3者为电动机实际值。设转子磁链3r 在d 轴上, 则3rd =3r , 3rq =0, 称为理想矢量控制。由式(4 展开

8、得电流模型转子磁链仿真器p 3rd =-3r 3rd +3r M3i 3sd (5 由式(5 可知, 转子磁链3rd 与转子电阻r 3r 有关, 因此采用电流模型估算转子磁链3rd 时, 对电动机转子电阻变化敏感性强。为提高系统对定、转子电阻变化的鲁棒性, 采用状态变量的预测误差修正方法。根据日本学者堀洋一教授的观测器构成理论, 在仿真器中加状态变量预测误差反馈构成磁通观测器。本文采用dq 轴电流预测误差修正电流模型转子磁链仿真器, 此时磁通观测器数学模型如下p 3rd =-3r 3rd +M 33r i 3sd +1(i 3sd -i sd +2i sq (6k u sd =(r s +L

9、s p i sd -1L s i sq +M p rd /L r -1M rq /L r(7 u sq =1L s i sd +(r s +L s p i sq +1M rd /L r +M p rq /L r(8在理想矢量控制时3rq =0, 当3rd 在稳态时为恒值控制, 则3rd =M 3i 3sd 。把这些关系代入式(7 、(8 得定子电压u 3sd =r 3s i 3sd -313L 3s i 3sq(9 u 3sq =31L 3s i 3sd +(r 3s +3L 3s p i 3sq(10从式(9 、(10 可以看出, 在转子磁场定向控制的dq 轴系中, 构成定子电压直轴分量u

10、3sd 和交轴分量u 3sq 中不仅有定子电流直轴分量i 3sd 产生的电压, 还有交轴直流分量i 3sq 产生的耦合电压。另外, 在式(9 、(10 中, 有定子电阻r 3s 项, 它易受温度变化的影响, 同时在式(10 中,交轴电流i 3sq 进行控制的电压中还含有微分项, 由于微分项对干扰特别敏感, 容易引起电动机的干扰电压, 因此本文在电压前馈型解耦控制基础上增设dq 轴电流的指令值与实际值的误差进行PI 调节, 以达到消除微分干扰和定子电阻受温度变化干扰的目的。具有电流误差补偿的定子电压解耦单元结构如图1所示。改进后的电压前馈型解耦单元数学模型22电工技术学报2003年8月 图1改进

11、后的电压前馈型解耦单元Fig 11Improved voltage -feedforward decoupling unitu 3sd =K I + T I S (i 3sd -i sd -313L 3s i 3sq(11u 3sq =K I +T I S(i 3sq -i sq +31L 3s i 3sd(12313频率控制单元由式(4 展开得转子磁链r 同步角速度31=r +3rM3i 3sq /3rd =r 3s 转差频率3s =i 3sq /(14转子磁链r 3=31d t(15314转矩电流转矩电流分量i 3sq 采用电动机角速度给定值3r 与实际值r 经比例积分运算获得。i 3sq

12、 =K s +T s S(3r -r (164控制系统结构由式(6 、(11 (16 可以画出基于磁通观测器的电压前馈型解耦矢量控制系统的结构如图2所示。5仿真研究结果仿真电动机参数:J Q 2-52-4, P N =10kW ,U N =380V , I N =1918A , n N =1450r/min , 接法, r s =11, r r =1112012942H , L r=M i =7A , J =m 。数学模型两部分组成。式(1 、(2 、(3 为电动机数学模型, 式(6 、(11 (16 为控制器数学模型。根据控制系统数学模型用C 语言编程进行计算机仿真研究。图2控制系统结构图F

13、ig 12The structure of the control system图3为定、转子电阻值变化r 3s /r s =115,r 3r /r r =115时速度指令值从1000r/min 阶跃到14520r/min 时对应的动态特性, 图3a 为在无磁通观测器的情况下无电流误差补偿时的转矩动态响应; 图3b 为有电流误差补偿时的转矩动态响应。两者比较结果, 有电流误差补偿时转矩指令值与实际值的相对稳态误差小于4%; 无电流误差补偿时转矩指令值与实际值的相对稳态误差将达36%。图3c 为基于磁通观测器并有电流误差补偿时的系统转矩动态响应, 实际转矩跟踪指令转矩更显得好32第18卷第4期李

14、汉强等基于磁通观测器的电压前馈型解耦矢量控制系统些; 图3d 为有磁通观测器时转子磁链的动态响应, 在2s 内指令值可跟踪到实际值。6结束语本文提出基于磁通观测器的电压前馈型解耦矢量控制系统, 其特点是采用电流预测误差对磁通观测器及电压前馈型解耦结构进行补偿。用C 语言编程仿真研究发现, 该系统既能保持矢量控制所具有的良好动态特性, 同时还能对定、转子变化具有鲁棒性, 可以提高系统的转矩控制精度 。图3r 3s /r s =115时转矩动态特性与稳态误差图11指令值21实际值31负载转矩Fig 13Transient res ponses with torque changes when r 3s /r s =115参考文献1寺山鸟正之1制御电流源 制御制御电压源制御实用性能比较1电气学会论文志D , 1987, 107(2 :1831902辶十峰男1磁束 °基制御电流源驱动诱导电动机 制御1电气学会论文志D , 1993, 113(10 :114511533辶十峰男1 °理论制御电压源驱动诱导电动机 制御一般化方式1电气学会论文志D , 1996, 116(9 :9