考慮激磁電感變化的感應(yīng)電機(jī)模型

陳國強(qiáng)，劉和平，劉 慶，周 奇

(1.重慶大學(xué)，重慶 400044；2.重慶賽力盟電機(jī)有限責(zé)任公司，重慶 400030)

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考慮激磁電感變化的感應(yīng)電機(jī)模型

陳國強(qiáng)1，劉和平1，劉 慶1，周 奇2

(1.重慶大學(xué)，重慶 400044；2.重慶賽力盟電機(jī)有限責(zé)任公司，重慶 400030)

從電機(jī)的固有模型出發(fā)，根據(jù)其固定參數(shù)電機(jī)模型在αβ坐標(biāo)系中的狀態(tài)方程，結(jié)合激磁電感變化對(duì)電機(jī)性能的影響，推導(dǎo)了參數(shù)可變的感應(yīng)電機(jī)模型。通過MATLAB/Simulink仿真分析激磁電感變化對(duì)感應(yīng)電機(jī)性能的影響，在Ansoft軟件平臺(tái)上對(duì)額定功率為10 kW的三相感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，得到激磁電感隨電壓、頻率變化的關(guān)系曲線。再將激磁電感實(shí)時(shí)變化值用到參數(shù)可變的電機(jī)模型中，用矢量控制算法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，提出的參數(shù)可變化模型是可行的，得到的矢量控制算法可以提高感應(yīng)電機(jī)控制性能，研究成果可為高精度感應(yīng)電機(jī)模型的建立奠定基礎(chǔ)。

電機(jī)參數(shù)；電機(jī)模型；激磁電感；矢量控制

0 引 言

為解決燃油汽車所帶來的能源問題和環(huán)境問題，急需一種節(jié)能、污染少的新型交通工具，因此靠電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車應(yīng)運(yùn)而生。感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、可靠性高、數(shù)學(xué)模型易獲得等優(yōu)點(diǎn)，滿足于電動(dòng)汽車的控制，所以感應(yīng)電機(jī)在電動(dòng)汽車的應(yīng)用越來越廣泛。目前大量文獻(xiàn)都是對(duì)感應(yīng)電機(jī)的控制策略進(jìn)行研究[1-2]，但是往往忽略了電機(jī)參數(shù)變化對(duì)控制性能的影響，而好的控制策略是以精確的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的，所以研究控制策略之前應(yīng)該把某些重要因素對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響進(jìn)行考慮。高性能的控制非常依賴電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，而動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型具有非線性、多變量等特點(diǎn)[3]，導(dǎo)致模型建立困難、前提假設(shè)條件較多，所以感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立就顯得尤為重要。

MATLAB/Simulink是一種非常適合于對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，開發(fā)方式包括：① 用已有的模塊和模型組合建模；② 用S-Function 模塊編程構(gòu)造。方式①移植性差，方式②更接近于數(shù)學(xué)表達(dá)，且參數(shù)的改變比較容易，可以通過程序的調(diào)試，分析參數(shù)變化對(duì)電機(jī)控制性能的影響。

隨著電機(jī)的運(yùn)行工況、電機(jī)內(nèi)部鐵心環(huán)境溫度的改變，電機(jī)的定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻、定子漏感、轉(zhuǎn)子漏感和激磁電感等參數(shù)也將發(fā)生變化。參數(shù)的改變會(huì)導(dǎo)致電機(jī)磁路飽和水平改變，這樣會(huì)引起激磁電感改變[4]，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子的時(shí)間常數(shù)發(fā)生激烈的變化，進(jìn)而影響電機(jī)的控制性能。在感應(yīng)電機(jī)固有模型，即線性化數(shù)學(xué)模型中，通常認(rèn)為激磁電感是恒定值，即使考慮磁飽和，也僅僅是將工作點(diǎn)處激磁電感的穩(wěn)態(tài)飽和值代入模型中，認(rèn)為激磁電感保持不變[5]，但是隨著運(yùn)行工況的改變，電機(jī)飽和程度不同，使得激磁電感參數(shù)也隨之改變。文獻(xiàn)[6]把主磁通作為狀態(tài)變量，但是其建立的狀態(tài)方程也對(duì)電機(jī)參數(shù)有較強(qiáng)的依賴性。文獻(xiàn)[7]提出的自定義PMSM模型，雖然可以在線修改電機(jī)參數(shù)，但其方法還是基于常規(guī)的線性化數(shù)學(xué)模型，沒有考慮電機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)的參數(shù)變化，仍存在一定的局限性。文獻(xiàn)[8]通過引入激磁電感系數(shù)實(shí)時(shí)修正電感值來描述電感的飽和特性，但該模型中電感參數(shù)與磁鏈角度息息相關(guān)，分析比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[9]也僅僅討論了異步電機(jī)空載條件下激磁電感隨壓頻比變化的規(guī)律，不適于工程應(yīng)用。因此，提出一種參數(shù)可變的感應(yīng)電機(jī)模型是非常有必要的。

本文利用MATLAB/Simulink模塊，模擬仿真激磁電感變化對(duì)感應(yīng)電機(jī)性能的影響；利用Ansoft軟件對(duì)額定功率為10 kW的四極三相感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行有限元計(jì)算，得到額定負(fù)載下感應(yīng)電機(jī)激磁電感與定子電壓和頻率的非線性關(guān)系。將得到的激磁電感動(dòng)態(tài)變化值作為輸入變量導(dǎo)入電機(jī)模型，得到參數(shù)變化的感應(yīng)電機(jī)模型。除此之外，在矢量控制系統(tǒng)中將激磁電感作為變量導(dǎo)入磁鏈觀測(cè)器中，得到考慮激磁電感變化的矢量控制算法。最后對(duì)提出的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文的可變參數(shù)電機(jī)模型是可行的，得到的控制策略能為高精度感應(yīng)電機(jī)模型的建立奠定基礎(chǔ)。

1 感應(yīng)電機(jī)參數(shù)變化

電動(dòng)汽車對(duì)其電氣動(dòng)力系統(tǒng)的性能要求較高，要求電機(jī)控制系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，魯棒性好等特點(diǎn)。其感應(yīng)電機(jī)具有多輸入、多輸出的特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量、高階數(shù)、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。對(duì)控制系統(tǒng)建模仿真是高性能電機(jī)控制中必不可少的階段，MATLAB/Simulink因其功能強(qiáng)大，非常適合于對(duì)感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行建模分析。在研究分析感應(yīng)電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立時(shí)，通常作以下假設(shè)[10]：

1) 不考慮空間諧波，三相繞組分布對(duì)稱，且在空間互差2π/3的電角度，則三相繞組所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙按正弦規(guī)律分布；

2) 不考慮磁路飽和，則定轉(zhuǎn)子各繞組的自感和互感都是不變的；

3) 不考慮鐵心耗損；

4) 不考慮溫度變化、頻率變化引起的肌膚效應(yīng)對(duì)定轉(zhuǎn)子繞組電阻值的影響。

基于以上假設(shè)，常用的固定參數(shù)感應(yīng)電機(jī)模型在αβ坐標(biāo)系中的狀態(tài)方程如下：

(1)

利用上述固有參數(shù)電機(jī)模型來對(duì)鼠籠式感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行模擬仿真，保證仿真和實(shí)驗(yàn)的激勵(lì)源、運(yùn)行工況以及運(yùn)行環(huán)境一致，把仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)仿真波形與實(shí)驗(yàn)波形有較大偏差，仿真模擬沒有達(dá)到和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證的目的，說明仿真模型沒有真實(shí)的反應(yīng)實(shí)際情況。由式(1)分析可知，仿真常用的模塊化電機(jī)模型有太多的假設(shè)條件，過于理想化。而電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的工況比較復(fù)雜，上述假設(shè)條件在實(shí)際情況中不滿足，導(dǎo)致所建立的固定參數(shù)電機(jī)模型不適用。影響電機(jī)模型建立的參數(shù)有很多，比如定子漏感、轉(zhuǎn)子漏感、定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻和激磁電感等，其現(xiàn)實(shí)物理模型，如圖1所示。

圖1 感應(yīng)電機(jī)的物理模型

利用S-Function函數(shù)建立感應(yīng)電機(jī)模型時(shí)，可以將電機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況下各個(gè)參數(shù)變化的函數(shù)曲線作為狀態(tài)輸入量，導(dǎo)入電機(jī)的模型，使得建立的電機(jī)模型盡可能的接近實(shí)際電機(jī)物理模型，如圖2所示。

圖2 參數(shù)可變的感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

由圖2知，實(shí)時(shí)更新電機(jī)數(shù)學(xué)模型的各個(gè)參數(shù)，使得電流估計(jì)值is_e和轉(zhuǎn)速估計(jì)值ne分別接近電流實(shí)際值is和轉(zhuǎn)速實(shí)際值n，將估計(jì)值運(yùn)用于電機(jī)控制算法中，可以得到較好的控制性能。這樣得到的Simulink仿真模型還可以通過生成代碼，直接用于控制臺(tái)控制電機(jī)。

2 考慮激磁電感變化的感應(yīng)電機(jī)狀態(tài)模型

2.1 激磁電感對(duì)感應(yīng)電機(jī)性能的影響

本文以一臺(tái)額定功率為10 kW的鼠籠式感應(yīng)電機(jī)為例進(jìn)行分析，樣機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 樣機(jī)電阻電感參數(shù)

為方便分析，本文只考慮激磁電感變化對(duì)感應(yīng)電機(jī)定子側(cè)輸出相電流的影響，即本文提出的參數(shù)可變感應(yīng)電機(jī)模型，忽略了溫度變化、渦流、鐵心損耗以及漏磁通飽和[9]對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響。下面用MATLAB仿真來說明激磁電感變化對(duì)電機(jī)性能的影響，如圖3所示，額定負(fù)載TL=31.3 N·m，相電壓有效值u=50 V，頻率f=105 Hz時(shí)，待電機(jī)輸出電流穩(wěn)定后，激磁電感從額定值0.8 mH跳變到1.2 mH。

圖3 激磁電感跳變時(shí)的A相電流

由圖3可知，當(dāng)激磁電感增大50%時(shí)，激磁電感跳變前后的電流輸出值之差為32 A?？刂撇呗孕枰銐蚓_的反饋信號(hào)，而定子電流作為電機(jī)控制中必不可少的反饋量，它的精確度好壞將嚴(yán)重影響電機(jī)的控制性能。所以用固定參數(shù)電機(jī)模型仿真得到的控制策略往往不能用于高性能的電機(jī)控制中。

2.2 考慮激磁電感變化的感應(yīng)電機(jī)狀態(tài)模型

考慮激磁電感變化的感應(yīng)電機(jī)模型在αβ坐標(biāo)系中的狀態(tài)方程如下：

(2)

(3)

(4)

式(2)～式(6)中的激磁電感Lm是關(guān)于定子相電壓u和頻率f的函數(shù)。傳統(tǒng)方式均認(rèn)為激磁電感Lm是激磁電流im的函數(shù)，而im依賴于檢測(cè)到的定子電流和轉(zhuǎn)子電流，而這兩個(gè)參數(shù)又難以獲得，所以本文考慮激磁電感是定子相電壓和頻率的函數(shù)。利用Ansoft軟件對(duì)感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行有限元分析，當(dāng)電動(dòng)機(jī)溫度為75°時(shí)，計(jì)算額定負(fù)載下不同電壓u和頻率f對(duì)應(yīng)的激磁電感Lm，如圖4所示。定義基頻f=103Hz，在基頻以下時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩恒定，通常為保持足夠強(qiáng)的磁通并且充分利用鐵心，使得激磁電感并非某個(gè)特定的飽和值，而是隨著電壓和頻率的變化也在改變；在基頻以上時(shí)，電機(jī)處于弱磁狀態(tài)，輸出功率基本不變，隨著頻率的增加，激磁電感基本不變。

圖4 激磁電感隨相電壓和頻率變化關(guān)系圖

由圖4可知，f在87～120Hz范圍內(nèi)時(shí)，激磁電感的變化規(guī)律是非線性的，所以用一個(gè)線性值或飽和特定值作為激磁電感參數(shù)，將會(huì)對(duì)電機(jī)的控制性能造成很大的影響，有必要將激磁電感實(shí)時(shí)值提供給電機(jī)模型和相應(yīng)的控制策略。

由Ansoft有限元計(jì)算結(jié)果分析，得到不同電壓u和頻率f下的激磁電感Lm，而異步電機(jī)的主磁路飽和特性可以用一條激磁電感跟隨壓頻比變化的曲線進(jìn)行描述[9]，如下：

(7)

利用MATLAB/Curve Fitting Tool工具中的Nearest neighbor interpolant方法擬合出Lm關(guān)于u/f的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 Lm關(guān)于u/f的函數(shù)關(guān)系圖

由圖5可知，由于電機(jī)鐵心磁飽和的影響，隨著壓頻比的增大，激磁電感逐漸減小。本文的可變參數(shù)電機(jī)模型和其矢量控制算法中磁鏈觀測(cè)器中的激磁電感實(shí)時(shí)值可以由圖5所示的關(guān)系曲線得到。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

電機(jī)閉環(huán)控制能取得很好的控制性能，但要求精確采集定子電流作為反饋信號(hào)，且電流波形的好壞直接決定了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能的優(yōu)劣。為簡化控制，本文采用常用的有速度傳感器矢量控制來驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方案，本文可變參數(shù)電機(jī)模型中激磁電感是關(guān)于定子A相相電壓有效值和頻率的函數(shù)，矢量控制算法考慮了激磁電感對(duì)磁鏈觀測(cè)器的影響，其控制框圖如圖6所示，去掉虛線框部分即為傳統(tǒng)的固定參數(shù)電機(jī)模型對(duì)應(yīng)的矢量控制框圖。

圖6 矢量控制框圖

如圖6所示，在考慮激磁電感變化的可變參數(shù)電機(jī)模型的控制算法中，利用相電壓重構(gòu)技術(shù)得到定子側(cè)A相相電壓有效值ua和頻率f，作為由Ansoft有限元分析得到的激磁電感曲線中的電壓和頻率，通過lookup table查表，即對(duì)照?qǐng)D5所示關(guān)系，得到激磁電感實(shí)時(shí)值，將其反饋到電壓型或電流型磁鏈觀測(cè)器中，構(gòu)成激磁電感實(shí)時(shí)更新的閉環(huán)控制系統(tǒng)。分別對(duì)固定參數(shù)電機(jī)模型的控制系統(tǒng)和可變參數(shù)電機(jī)模型的控制系統(tǒng)進(jìn)行理論推導(dǎo)，得到兩個(gè)模型下不同矢量控制算法用于下面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在三相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，對(duì)一臺(tái)額定功率為10 kW的感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)物及其連接情況如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由電池組(72 V，200 Ah)、四極三相感應(yīng)電機(jī)(10 kW，50 V，103 Hz)、控制器、磁粉加載器、示波器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)等配套設(shè)備組成。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)如表1所示，控制器采用功能強(qiáng)大的DSP控制芯片TMS320F28035來實(shí)現(xiàn)控制算法，PWM開關(guān)頻率為10 kHz，即系統(tǒng)控制周期為100 μs，死區(qū)時(shí)間為4 μs。

(a) 固定參數(shù)電機(jī)模型

(b) 可變參數(shù)電機(jī)模型

由圖8可以看出，兩電流波形均為帶高頻諧波的正弦波，頻率為105.4Hz和105.3Hz，可忽略差異，但幅值相差11.3A，且可變參數(shù)電機(jī)模型的相電流均方根標(biāo)準(zhǔn)差僅為3，遠(yuǎn)小于固定參數(shù)電機(jī)模型的相電流均方根標(biāo)準(zhǔn)差?？梢钥闯?，應(yīng)用可變參數(shù)電機(jī)模型的矢量控制算法得到的實(shí)際電機(jī)輸出電流波形比固定參數(shù)電機(jī)模型矢量控制算法得到的實(shí)際電機(jī)電流波形好，幅值更真實(shí)，且電流均方根值更穩(wěn)定。所以參數(shù)可變的感應(yīng)電機(jī)模型及其引起的矢量控制算法變化對(duì)提高感應(yīng)電機(jī)控制性能十分必要。

4 結(jié) 語

本文首先通過固有參數(shù)的電機(jī)模型仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)參數(shù)變化對(duì)電機(jī)模型的重要性，提出了參數(shù)可變化的電機(jī)模型。通過MATLAB/Simulink仿真分析激磁電感變化對(duì)感應(yīng)電機(jī)性能的影響，利用Ansoft計(jì)算得到激磁電感隨電壓和頻率變化的關(guān)系。把考慮激磁電感變化的電機(jī)模型運(yùn)用于矢量控制算法，對(duì)參數(shù)可變化的感應(yīng)電機(jī)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明本文模型正確性，為后續(xù)高精度感應(yīng)電機(jī)模型的建立及控制提供了一種快速、有效的方法。

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Model of Induction Motor Considering the Variation of Magnetizing Inductance

CHENGuo-qiang1,LIUHe-ping1,LIUQing1,ZHOUQi2

(1.Chongqing University, Chongqing 400044, China;2.Chongqing Sailimeng Motor Limited Liability Company, Chongqing 400030, China)

Based on the intrinsic model of a motor, the induction motor model with variable parameters was derived, which combined with the influences of magnetizing inductance's variation on the performance of the motor, according to the fixed motor parameters in αβ coordinates equation of state. First, the effect of magnetizing inductance's changes on the performance of induction motor was simulated and analyzed with MATLAB/Simulink, and the finite element analysis was implemented in the three-phase induction motor with rated power of 10 kW to get the curve of magnetizing inductance's changes with voltage and frequency. Then, applying the magnetizing inductance's real-time changes in value to the motor model with variable parameters, the vector control algorithm was tested and verified. The results show that the proposed motor model with variable parameters is feasible and the vector control algorithm can improve the control performance of the induction motor. The research results can provide a basis for the establishment of the precise induction motor model.

motor parameter; motor model; magnetizing inductance; vector control

2015-10-28

TM346

A

1004-7018(2016)06-0023-04

陳國強(qiáng)(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。