基于加權(quán)模型的異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制定子磁鏈估計

孫振川

(棗莊學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

基于加權(quán)模型的異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制定子磁鏈估計

孫振川

(棗莊學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

提出了異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中定子磁鏈估計的加權(quán)模型，實現(xiàn)了電機全速運行范圍內(nèi)定子磁鏈估計的u-i模型和i-n模型之間的平滑切換，并用MATLAB/Simulink對該模型進行了仿真，仿真結(jié)果表明，加權(quán)模型可以在異步電動機全速運行范圍內(nèi)準確地估計定子磁鏈，為實現(xiàn)異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制奠定了基礎(chǔ).

異步電動機；定子磁鏈估計；加權(quán)模型.①

0 引言

在異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，在電動機全速運行范圍內(nèi)準確無誤地估計定子磁鏈是實現(xiàn)控制系統(tǒng)高動態(tài)性能的前提和保證[1].定子磁鏈估計的基本模型分為電壓-電流模型(u-i模型)、電流-轉(zhuǎn)速模型(i-n模型)和電壓-轉(zhuǎn)速模型(u-n模型)三種.u-i模型是用定子電壓和定子電流來確定定子磁鏈的模型.這種模型最簡單，在計算過程中所唯一需要知道的電機參數(shù)是易于確定的定子電阻.這種模型只有在被積分的差值較大時才能提供正確的結(jié)果，只有在10%額定轉(zhuǎn)速以上，特別是在30%額定轉(zhuǎn)速以上時，才能夠非常準確地估計定子磁鏈.i-n模型是用定子電流和轉(zhuǎn)速來確定定子磁鏈的模型.在30%額定轉(zhuǎn)速以下范圍內(nèi)，由于定子電阻壓降不可忽略，故定子磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來計算.這種方法受轉(zhuǎn)子電阻、漏電感和定子電感變化的影響，觀測方法的魯棒性較低.u-n模型是u-i模型和i-n模型的綜合.將30%額定轉(zhuǎn)速定為切換點，高于此轉(zhuǎn)速用u-i模型，低于此轉(zhuǎn)速用i-n模型.由i-n模型向u-i模型切換時，需要一個電流PI調(diào)節(jié)器，它的作用是強迫電動機模型電流與實際的電動機電流相等，這樣可以提高電動機模型的仿真精度[2][3].模型的基本方程式是u-i模型和i-n模型基本方程式的綜合.為了實現(xiàn)定子磁鏈估計的u-i模型和i-n模型之間的平滑切換，本文提出了一種新的模型，即加權(quán)模型.仿真結(jié)果表明，加權(quán)模型可以在異步電動機全速運行范圍內(nèi)準確地估計定子磁鏈，為實現(xiàn)異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制奠定了基礎(chǔ).

1 定子磁鏈估計的加權(quán)模型

為了實現(xiàn)定子磁鏈估計的u-i模型和i-n模型之間的平滑切換，本文提出了一種新的模型，即加權(quán)模型.該模型的原理是：以30%額定轉(zhuǎn)速為中點，在此轉(zhuǎn)速的鄰域內(nèi)，讓定子磁鏈估計模型由i-n模型平滑過渡到u-i模型，使得在異步電動機的全速運行范圍內(nèi)都能準確地估計定子磁鏈[4][5].為了研究方便，取25%額定轉(zhuǎn)速到35%額定轉(zhuǎn)速為模型加權(quán)過渡區(qū)間，加權(quán)方式采用線性加權(quán)法.如圖1所示，0表示定子磁鏈估計的i-n模型，1表示定子磁鏈估計的u-i模型，A點表示25%額定轉(zhuǎn)速，B點表示30%額定轉(zhuǎn)速，C點表示35%額定轉(zhuǎn)速.在C點以上用u-i模型，在A點以下用i-n模型，在A點和C點之間，采用線性加權(quán)的方式，從i-n模型線性過渡到u-i模型.

假設(shè)整個過渡過程的時間為Δt(可以由u-i模型的仿真曲線得到)，則

k2=1-k1

(1)

在上式中，k1、k2分別表示u-i模型和i-n模型的加權(quán)系數(shù)，t表示從25%額定轉(zhuǎn)速開始計時所得到的時間，其值域為[0,Δt].令ψs1、ψs2分別表示u-i模型和i-n模型輸出的定子磁鏈幅值，則過渡過程的定子磁鏈幅值為

ψs=k1ψs1+k2ψs2

(2)

當(dāng)t=0時，k1=0,k2=1，ψs=ψs2，此時定子磁鏈估計模型為i-n模型.

當(dāng)t=Δt時，k1=1,k2=0，ψs=ψs1，此時定子磁鏈估計模型為u-i模型.

圖1 定子磁鏈估計的加權(quán)模型原理圖

加權(quán)模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

圖2 加權(quán)模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 仿真結(jié)果及分析

本文針對異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制中定子磁鏈估計的三種基本模型和加權(quán)模型，采用Matlab/Simulink仿真軟件進行了仿真驗證，并對仿真結(jié)果進行了對比和分析.仿真所用的參數(shù)：額定電壓U=220V，頻率f=50Hz，額定轉(zhuǎn)速v=1480r/min，定子電阻Rs=4.25Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr=3.24Ω，定子等效兩相繞組的自感Ls=0.666H，轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感Lr=0.671H，定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感Lm=0.651H，極對數(shù)np=2，轉(zhuǎn)動慣量J=0.02N·m2.仿真時間t=2s[6].仿真結(jié)果如下：

由上述仿真結(jié)果可知，在0.2s(此時電機轉(zhuǎn)速約為30%額定轉(zhuǎn)速)以前，i-n模型和u-n模型的差值較小，大約在-0.1Wb到0.1Wb之間；在0.2s以后，u-i模型和u-n模型的差值較小，大約在-0.02Wb到0.02Wb之間.由此可以得出結(jié)論：u-n模型兼有u-i模型和i-n模型的優(yōu)勢，可以在異步電動機全速運行范圍內(nèi)更準確地估計定子磁鏈.

圖10表明，加權(quán)模型和u-n模型基本等效，在0.2s以前其誤差在-0.1Wb到0.1Wb之間，在0.2s以后其誤差在-0.02Wb到0.02Wb之間.由此可以得出結(jié)論：加權(quán)模型也可以在異步電動機全速運行范圍內(nèi)準確地估計定子磁鏈.

3 結(jié)論

本文從異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制中三種模型出發(fā)，運用MATLAB/simulink中的s函數(shù)對異步電動機的定子磁鏈估計加權(quán)模型進行了仿真，仿真結(jié)果表明，加權(quán)模型和u-n模型的差值較小，且省去了電流PI調(diào)節(jié)器，也可以在異步電動機全速運行范圍內(nèi)準確地估計定子磁鏈.

[1]陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[2]李夙.異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,1994.

[3]薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[4]Nik Rumzi Nik Idris, Abdul Halim Mohamed Yatim. An Improved Stator Flux Estimation in Steady-State Operation for Direct Torque Control of Induction Machines. IEEE Transactions on Industrial Applications, Vol.38, No.1, Jan/Feb 2002, Page(s)：110-116.

[5]P. L. Jansen ,R. D. Lorenz. A physically insightful approach tothe design and accuracy assessment of flux observers for field orientedinduction machine drives.IEEE Trans. Ind. Applicat, Vol. 30, Jan/Feb1994, Page(s)：101-110.

[6]孫振川.異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制理論和技術(shù)的研究[R].山東大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

TM346

A

1004-7077(2013)05-0081-04

2013-08-25.

棗莊學(xué)院青年科研計劃項目(項目編號：2011QN37)..

孫振川(1983-)，男，山東滕州人，棗莊學(xué)院機電工程學(xué)院講師，工學(xué)碩士，主要從事電力電子技術(shù)和交流電機控制研究.

閆昕]