基于定子電流矯正的異步電機間接定子磁場定向控制

邵佳俊 黃文新 楊駒豐 楊 璐

(南京航空航天大學自動化學院 南京 210016)

基于定子電流矯正的異步電機間接定子磁場定向控制

邵佳俊 黃文新 楊駒豐 楊 璐

(南京航空航天大學自動化學院 南京 210016)

提出一種基于定子電流誤差的間接定子磁場定向矯正控制方法。分析了定子dq軸電流以及定子磁鏈的關(guān)系，推算出q軸電流對定子磁場的去磁分量，在負載變化時加大d軸電流補償該分量，實現(xiàn)定子電流dq軸分量的分解。采用了磁鏈開環(huán)的矢量控制，避免了傳統(tǒng)磁場定向矢量控制在低速時磁場觀測的復雜性和不準確性。然而為保證磁場定向的準確性，提出了基于定子電流誤差的磁場定向矯正方法，通過分析磁場定向的超前和滯后時dq軸給定電流和反饋電流的關(guān)系，補償?shù)絨軸電流，進而改變轉(zhuǎn)差來彌補磁場定向不準帶來的誤差。最后，搭建了異步電機Matlab仿真模型和實驗平臺，結(jié)果表明，磁場定向在穩(wěn)態(tài)運行和電機參數(shù)變化時有良好的矯正效果，保證控制系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能。

間接定子磁場定向 去磁分量 定子電流誤差 磁場定向矯正

0 引言

籠型異步電機轉(zhuǎn)子堅固可靠、成本低、應用面廣。異步電機高性能變頻調(diào)速控制方式主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。其中矢量控制方法具有調(diào)速范圍寬、響應迅速、穩(wěn)定性更好的優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)、車輛交通和航空航天等領(lǐng)域均有廣泛應用。目前異步電機的矢量控制大多采用以轉(zhuǎn)子磁場定向，理論上通過轉(zhuǎn)子磁鏈定向可以實現(xiàn)dq電流的完全解耦，從而獨立控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，使控制獲得高動靜態(tài)性能。然而要實現(xiàn)dq電流的完全解耦，需滿足磁場定向的準確性，必須對磁鏈進行精確地檢測[1]。目前研究人員已提出多種磁鏈檢測方法[2-7]，其中電壓模型不受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，但在低速時由于電機電阻上的壓降影響變大以及積分器的漂移等因素會使磁鏈觀測出現(xiàn)偏差，從而使系統(tǒng)的控制性能降低，還可能引起系統(tǒng)的低頻振蕩。電流模型在低速時有良好的效果，但依賴于轉(zhuǎn)子參數(shù)的準確性，因溫度、飽和等因素造成的轉(zhuǎn)子參數(shù)的變化會對轉(zhuǎn)子磁鏈估計產(chǎn)生較大誤差[8]。全階觀測器計算原理復雜，也不適合實際應用[9，10]。同時采用SVPWM調(diào)制方式計算參考電壓矢量時，通過dq電流計算dq控制電壓會引入勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的交叉耦合項，也需要在電壓給定側(cè)進行解耦[11]。采用開環(huán)的磁場定向方式，可以避免磁鏈估算，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[12]，但對電機參數(shù)的依賴性進一步加強，因而必須對電機參數(shù)進行實時辨識來確保定向的準確性[13]。

采用定子磁鏈定向方式的矢量控制，可以降低對轉(zhuǎn)子參數(shù)的依賴性[14]。但這種控制策略隨著轉(zhuǎn)矩的上升，q軸電流對磁鏈的去磁作用也隨之增大，沒有實現(xiàn)dq電流的完全解耦。為此，本文在文獻[13]的基礎(chǔ)上，通過改變d軸電流間接控制磁鏈恒定。根據(jù)負載的大小實時計算出q軸轉(zhuǎn)矩電流對磁場的去磁分量，從而給出d軸勵磁電流，保證定子磁鏈恒定。為了避免直接磁場定向中磁鏈計算的復雜性和不精確性，本文采用磁鏈開環(huán)的間接定向方式，沒有進行磁鏈計算，不會把磁鏈估算誤差引入到閉環(huán)控制中。但需保證磁鏈定向的準確性，因而提出基于定子q軸電流矯正的異步電機間接磁場定向控制。該方法通過比較定子電流的給定值與反饋值的誤差，反饋q軸定子電流的給定，通過改變轉(zhuǎn)差，實現(xiàn)磁鏈開環(huán)控制的定向矯正，保證系統(tǒng)的控制性能。最后利用Matlab搭建仿真模型并給出仿真結(jié)果，并運用一臺5.5 kW異步電機實驗樣機進行了實驗驗證。

1 異步電機定子磁場定向

異步電機通過坐標變換，在dq坐標系下的數(shù)學模型為

(1)

定子磁場定向控制是將定子磁場正向幅值定義為d軸方向，此時ψsd=ψs，ψsq=0，代入式(1)的第3行，在穩(wěn)態(tài)情況下可得

(2)

式(2)表明，定子磁鏈ψs不僅由isd單獨產(chǎn)生，當負載轉(zhuǎn)矩T≠0時，isq會削弱定子磁鏈。因此q軸電流對定子磁鏈存在一定去磁效應[14]，這就是定子磁場定向和轉(zhuǎn)子磁場定向的不同之處。

(3)

將轉(zhuǎn)差表達式(3)帶入磁鏈表達式(2)，得到isd的表達式

(4)

式中，ψs為實際定子磁鏈。

為了保持磁鏈恒定，根據(jù)式(4)等號右邊第二項即可定量得到isd補償isq對定子磁鏈去磁效應的數(shù)值，實現(xiàn)定子dq電流的基本解耦。由于式(4)存在電機參數(shù)Ls和σ，因而這種解耦控制方法的性能受到電機參數(shù)的影響。

根據(jù)式(4)可得到定子dq電流矢量關(guān)系如圖1所示。在電機運行過程中，當isq變化時，只需保證isd滿足式(4)，即可保證定子磁鏈的基本恒定，實現(xiàn)定子磁場定向控制。

圖1 定子dq電流矢量關(guān)系Fig.1 The dq stator current vector diagram

2 基于定子電流誤差的磁場矯正

上文提出的控制方法都是基于定子磁鏈準確定向的情況下得到的，而定向的準確性將會直接影響電機的控制性能。由于該方法采用的是磁鏈開環(huán)控制方式，而磁鏈定向的準確性將會隨電機參數(shù)變化而變化，因此必須對定子磁鏈定向角θ作矯正，保證定子磁場定向的準確性，提高系統(tǒng)控制的性能。因而本文提出基于定子電流誤差的磁場矯正方法。

根據(jù)上文的分析可知：ωs和isd可根據(jù)isq計算得到，因此只需控制isq即可控制系統(tǒng)性能。這種控制方式簡化了控制過程，但電機參數(shù)的變化會影響定向的準確性，使控制性能降低。為此，需要分析在定向不準情況下的電流矢量。圖2為定向角處于超前或滯后狀態(tài)下的電流矢量。

圖2 不同定子磁場定向情況下的電流矢量Fig.2 The current vector diagram of different stator flux orientation

從圖2中可以看出，當磁場定向角超前真實磁鏈θ1時，有

(5)

定子d軸電流的isd大于實際量，電機處于過勵磁狀態(tài)，導致電機端電壓、電流上升，電機發(fā)熱增加。而定子q軸電流isq小于給定量，電機的輸出轉(zhuǎn)矩和功率下降，電機效率下降[15]。

相反，當磁場定向角滯后真實磁鏈θ2時，有

(6)

此時定子d軸電流的isd小于實際量，電機處于欠勵磁狀態(tài)，使電機反電動勢變小，輸入電流過大，而isd小于給定量在帶同樣的負載時，轉(zhuǎn)矩分量增加很快，帶載能力降低，輸出轉(zhuǎn)矩、功率相應降低，電機效率下降[15]。

綜合以上兩者分析，當電機參數(shù)變化引起磁鏈定向角偏離真實值時，都會使電機功率和效率降低，為此必須對磁場定向角進行矯正以保證定子磁場定向的準確性。

由以上分析可知，當定向角處于超前和滯后狀態(tài)下，定子dq軸電流與正常情況下有所不同，且根據(jù)坐標變換后定子dq軸電流易于獲得和測量，為此可以通過比較定子電流來判斷定子磁場定向的準確性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本控制量isq，從而調(diào)節(jié)定子磁場的定向角，保證定子磁場定向的準確性。因此本文提出一種基于定子q軸電流誤差的磁場定向矯正方法。

當定子磁鏈偏離真實磁鏈Δθ時，通過對q軸電流的調(diào)節(jié)使偏離角Δθ的穩(wěn)態(tài)值趨于0。

以定向角超前Δθ為例，給出此時的電流矢量如圖3所示。

圖3 定向超前的定子電流矢量Fig.3 The stator current vector diagram of directional ahead

根據(jù)圖3計算tanΔθ=tan(θ*-θ)，定向誤差角Δθ為

(7)

令

(8)

當定子磁場定向準確時，有R=0，即tanΔθ=0。

當電機參數(shù)變化以及系統(tǒng)受外界擾動(如電機電阻和電感變化)時，假設轉(zhuǎn)子電阻阻值變大。根據(jù)式(3)可知，如果仍用原來的Rr會使計算得到的轉(zhuǎn)差比實際值偏小。定向角為

θ=∫(ωr+ωs)dt

(9)

因此磁場定向角會滯后實際值，使真實q軸電流偏小，則R<0。為了讓式(3)算出的轉(zhuǎn)差和實際轉(zhuǎn)差相等，需要加大isq的給定值，因此q軸電流給定的調(diào)節(jié)量為ifk>0。則

(10)

因此，轉(zhuǎn)子電阻變大時，R<0，調(diào)節(jié)量ifk>0。轉(zhuǎn)子電阻變小時，R>0，調(diào)節(jié)量ifk<0。所以可將0與R的比值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，輸出量即為ifk，只要定向角超前真實磁鏈，經(jīng)式(8)算得R>0成立，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后輸出量ifk繼續(xù)增加，從而使計算得到的轉(zhuǎn)差和實際轉(zhuǎn)差相等，磁鏈定向角等于真實磁鏈,即定向偏離角Δθ=0°。同理當定向超前時，使ifk<0，最終使Δθ=0°。從而在電機參數(shù)變換時，其磁鏈定向角始終保持在真實位置。

綜合以上分析給出基于定子q軸電流的矯正異步電機間接定子磁場定向控制如圖4所示。主要的控制部分包括dq軸勵磁電流給定的計算、轉(zhuǎn)差頻率的計算、坐標變換和SVPWM調(diào)制。

圖4 異步電機低速間接定子磁場定向控制框圖Fig.4 The block diagram of indirect stator flux oriented control for induction motor at low speed

3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)方案

為了對所提出的控制策略在異步電機低速運行時的性能進行驗證，分別在Matlab/Simulink中進行仿真驗證以及在實驗平臺上進行實驗驗證。電機參數(shù)見表1。

表1 異步電機參數(shù)

Tab.1 The parameters of induction motor

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值額定功率/kW5.5定子電阻/Ω0.964額定電壓/V380轉(zhuǎn)子電阻/Ω0.964額定電流/A11.2定、轉(zhuǎn)子漏感/mH0.00831額定頻率/Hz50互感/mH0.198電機相數(shù)3極對數(shù)2

3.1 仿真驗證

圖5 系統(tǒng)仿真波形Fig.5 System simulation waveform

圖6為電阻突變時采用定向角矯正間接定子磁場定向控制和傳統(tǒng)直接定子磁場定向控制誤差角對比。由圖可看出，采用定向角矯正間接定子磁場定向控制在轉(zhuǎn)子電阻變化時，通過引入反饋量ifk，使得定向角(磁鏈真實值-定向值)基本消除，而采用傳統(tǒng)的定子磁場定向控制，其在電阻變化時定向有偏差，且無法消除。

圖6 電阻變化后定向角誤差對比Fig.6 Orientation angle error when the resistance change

圖7 傳統(tǒng)定子磁場定向控制定向角誤差Fig.7 Orientation angle error of traditional stator field-oriented control when the motor parameters change

圖8 電機參數(shù)變化時基于定子電流誤差矯正的定向角誤差Fig.8 Orientation angle error of stator current correction when the motor parameters change

為進一步說明該方法的普遍適用性，圖7為其他電機參數(shù)變化時，采用傳統(tǒng)定子磁場控制方式的定向角度偏差擬合曲線。圖8為其他電機參數(shù)變化時，采用基于定子電流矯正控制方式的定向角度偏差擬合曲線。對比圖7和圖8可知：采用基于定子電流矯正控制方式的定向角誤差較小。實際過程中由于定子dq軸電流必在一定范圍內(nèi)振蕩，因而反饋電流ifk也在一定范圍內(nèi)振蕩，因此這種方法無法完全消除定向角誤差，但這種基于定子電流誤差矯正的方法對定向角誤差有很好的改進。

3.2 實驗驗證

在實驗平臺上對提出的控制策略進行實驗驗證。實驗平臺由三相異步電機、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、三相逆變器及其控制系統(tǒng)組成，負載是一臺由逆變器控制的同步電機。控制系統(tǒng)采用Freescale的56F8346的DSP。實驗平臺如圖9所示。

圖9 實驗平臺Fig.9 Experimental platform

圖10 突加減負載解耦控制實驗波形Fig.10 The experimental waveforms when loading and unloading

圖10為定子磁場解耦控制時，突加減負載時A相電流、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和磁鏈特性曲線?？蛰d起動，轉(zhuǎn)速為60 r/min，在4 s時突加25 N·m的負載，8 s時突減負載至0。在4 s和8 s瞬間，定子電流和輸出轉(zhuǎn)矩迅速相應負載變化，維持電機轉(zhuǎn)速恒定。電機轉(zhuǎn)速在突加和突減負載瞬間有變化，隨即恢復穩(wěn)定值，響應較快。定子磁鏈在整個過程中基本保持恒定。穩(wěn)態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和磁鏈脈動較小，說明這種解耦控制方式具有較好的動態(tài)性能。

圖11為采用基于定子電流矯正間接定子磁場定向矢量控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)定子磁場定向控制系統(tǒng)異步電機在低速時轉(zhuǎn)子電阻突變時相關(guān)實驗波形。轉(zhuǎn)速為60 r/min，負載轉(zhuǎn)矩為12 N·m。

圖11 轉(zhuǎn)子電阻突變?yōu)?倍時系統(tǒng)的實驗波形Fig.11 The experimental waveforms when rotor resistance mutation is 2 times

圖11a、圖11b為定子q軸電流和磁鏈對比實驗波形。在2 s時，轉(zhuǎn)子電阻突變?yōu)?倍時，采用傳統(tǒng)定子磁場定向控制方法，由于此時磁場定向角滯后真實磁場，其定子q軸電流偏大，為了維持系統(tǒng)穩(wěn)定，其定子q軸電流會減小，定子磁場增大，輸出轉(zhuǎn)矩維持15 N·m，此時電機處于過勵磁狀態(tài)，三相電流幅值略微增加，電機效率降低。采用基于定子電流矯正間接定子磁場定向矢量控制系統(tǒng)，其通過定子電流矯正并經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，引入反饋量ifk，使得定向角誤差基本消除，因而實際電流和給定電流誤差為零，使dq軸電流基本不變，定子磁鏈也不會改變。圖11c為轉(zhuǎn)速對比波形，采用傳統(tǒng)方法在電阻突變時其轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差加大，而采用本文提出的方法其轉(zhuǎn)速基本沒有變化。圖11d為電磁轉(zhuǎn)矩對比波形，采用本文提出的方法在電機轉(zhuǎn)子電阻突變后，電磁轉(zhuǎn)矩脈動小于傳統(tǒng)方法。該實驗證明基于定子電流的矯正方法有較好的效果。

4 結(jié)論

本文針對間接定子磁鏈定向控制中定子dq電流不解耦的問題，提出一種保持定子磁鏈恒定的矢量控制方案。由于采用磁鏈開環(huán)的控制方式，在磁場定向過程中易受電機參數(shù)變化和環(huán)境的影響，提出了基于定子電流矯正的定子磁場定向控制，通過定子dq電流誤差閉環(huán)進行磁場定向矯正。由于在矯正過程中僅使用定子電流值且沒有引入其他任何電機參數(shù)，因而這種矯正方法簡單、可靠且易實現(xiàn)。仿真和實驗結(jié)果表明，在電機參數(shù)發(fā)生變化時，通過磁場矯正使定向角趨近真實值，保持磁鏈恒定。因此該控制方法具有良好的動靜態(tài)性能。

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Indirect Stator Field-Oriented Control for Induction Motor Based on the Stator Current Correction

Shao Jiajun Huang Wenxin Yang Jufeng Yang Lu

(College of Automation Engineering Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China)

In this paper，a new method of indirect stator field-oriented control for induction motor based on the stator current correction is proposed.The dq axis stator current and the stator flux linkage are analyzed.The relationship between q axis current and demagnetization component of stator flux linkage is calculated，and the decomposition of dq axis stator current is achieved.Using the indirect field-oriented vector control，the complexity and inaccuracy of the flux linkage observation in traditional field-oriented vector control at low speed are avoided.In order to guarantee the accuracy of the flux linkage orientation，the flux linkage orientation based on the correction of stator current error is proposed in this paper.Through the analysis of flux linkage，the dq axis dvanced current and delayed current，compensates to q axis current，and changes the slip to compensate to the error of the flux linkage orientation.Finally，the asynchronous motor of Matlab simulation model and experimental platform is established.And the results show that the system has great correction effects on the steady state operation and the variation of the motor parameters to ensure accurate static and dynamic performance.

Indirect stator field-oriented，demagnetization component，stator current error，field orientation correction

2015-07-01 改稿日期2015-08-27

TM343

邵佳俊 男，1991年生，碩士研究生，研究方向為電機及其控制。

E-mail：jsnthmsjj@sina.com(通信作者)

黃文新 男，1966年生，教授，博士生導師，研究方向為電機及其控制、新型風力發(fā)電技術(shù)、電能變換。

E-mail：Huangwx@nuaa.edu.cu