磁鏈觀測器在異步電機矢量控制中的應用

導讀：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。兩種磁鏈觀測器運用到異步電機矢量控制中，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

磁鏈估計是高性能交流感應電機調(diào)速系統(tǒng)中的重要組成部分。而磁鏈在實際應用中一般不用傳感器直接檢測，所以現(xiàn)代交流電力傳動控制系統(tǒng)常用磁鏈估計模型來估算磁鏈。在電機運行過程中，要考慮磁飽和、溫度等干擾信號對電機參數(shù)造成偏差的影響，所以如何在電機全速范圍內(nèi)獲得準確的磁鏈即提高磁鏈觀測器的參數(shù)魯棒性成為眾多學者的研究內(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，那么定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量就不能實現(xiàn)完全的解耦，可能會造成系統(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，會使得電機運行在弱磁狀態(tài)，減小電機的帶載能力;如果觀測出轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值偏小，會導致過大的勵磁電流，使電機的鐵心飽和，嚴重時還會導致繞組過熱而燒壞電機。因此決定整個矢量控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的最為關鍵環(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

在靜止坐標系下基于電壓模型的轉(zhuǎn)子磁鏈向量表達式如下：

從上式可以發(fā)現(xiàn)電壓型觀測器具有以下特點：

(1)該模型與轉(zhuǎn)子電阻Rr無關，且不需要電機轉(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，被積項的初始相位與直流偏置都會影響積分結果;

(3)低速時觀測器性能較差。因為低速時給定的定子電壓幅值小，電機端電壓難以精確獲得，定子電阻的阻值在運行過程中又會發(fā)生變化，使得被積項產(chǎn)生明顯的相對誤差。

針對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，主要有三個改進措施：

(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)，針對一階低通濾波環(huán)節(jié)會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)有文獻提出了許多改進型的積分器;

(2)對逆變器的非線性誤差電壓進行補償。逆變器的驅(qū)動信號中存在的死區(qū)時間、開關管的導通壓降和開通關斷時間都會使得逆變器的參考電壓和實際輸出電壓產(chǎn)生一定誤差，尤其在低速時，由于給定電壓的幅值小，重構的定子電壓與實際值的相對誤差變得尤為明顯。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，使得在控制系統(tǒng)的運行過程中定子電阻參數(shù)能夠跟隨其實際值變化。

2.2、電流型磁鏈觀測器

靜止坐標系下的基于電流模型的轉(zhuǎn)子磁鏈向量表達式如下：

從上式可以發(fā)現(xiàn)電流型觀測器具有以下特點：

(1)需要實測的定子電流和轉(zhuǎn)速信號，不需要定子電壓信號;

(2)包含轉(zhuǎn)子時間常數(shù)與互感Lm參數(shù)，當電機溫升和磁路飽時會對這些參數(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對轉(zhuǎn)子電阻偏差不敏感，但隨著負載的增大，對轉(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)子磁鏈觀測器對定子電阻的偏差十分敏感，定子電阻的偏差會導致轉(zhuǎn)子磁鏈的估計值出現(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)子磁鏈觀測器對互感的偏差不敏感。

3.2、小結

現(xiàn)有參考文獻中對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且不包含純積分環(huán)節(jié)，更適合低速運行狀態(tài);電壓模型里不包含轉(zhuǎn)子電阻，電機參數(shù)魯棒性更強，因此中、高速時性能優(yōu)于電流模型。為了充分利用兩種模型的優(yōu)點，可以將兩種模型結合起來，在低速時采用電流模型，在中、高速時采用電壓模型。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

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

4.1電機參數(shù)

4.2電機運行的工況

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

4.3仿真波形分析