暴國輝，梅柏杉，鄧德衛(wèi)，虞江，傅闖

(1.呼倫貝爾電業(yè)局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000;2.上海電力學(xué)院，上海 200090;3.湘潭大學(xué)，湖南 湘潭 411100)

1 引言

無速度傳感器［1，2］磁場定向矢量控制技術(shù)的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確獲取磁場定向角以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息。它們不僅與定子電壓和電流有關(guān)，同時(shí)還與電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子參數(shù)有著密切的關(guān)系［3－5］。本文提出一種改進(jìn)的MRAS(模型參考自適應(yīng))磁鏈轉(zhuǎn)速觀測器，同時(shí)辨識了定子磁鏈和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了定子電阻的在線調(diào)整和定子電阻壓降的補(bǔ)償。構(gòu)成了定子電阻壓降補(bǔ)償和電流轉(zhuǎn)矩分量的閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了定子磁鏈的控制。仿真表明該系統(tǒng)在低速范圍具有較強(qiáng)的魯棒性。

2 定子磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識

2.1 MRAS 法

模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)辨識方法，將電壓模型作為參考模型，電流模型作為可調(diào)模型，比較由電壓模型和電流模型分別得到的定子磁鏈，取其廣義誤差，進(jìn)行PI控制，其輸出即構(gòu)成角速度信號的估計(jì)值，再反饋給電流模型實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，可以消除轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，對電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈同時(shí)進(jìn)行辨識，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

可設(shè)計(jì)廣義誤差環(huán)節(jié)為:

自適應(yīng)算法為一PI調(diào)節(jié)器

上述MRAS觀測器仍然存在積分初始誤差問題，影響了轉(zhuǎn)速及磁鏈的辨識，所以在實(shí)際應(yīng)用中仍需改進(jìn)。

圖1 MRAS模型結(jié)構(gòu)框圖

2.2 改進(jìn)的MRAS方法辨識磁鏈和轉(zhuǎn)速

針對以上MRAS磁鏈觀測器存在的缺點(diǎn)，我們提出了一種改進(jìn)的MRAS磁鏈觀測器，其基本結(jié)構(gòu)是電流模型在前，電壓模型在后，兩者成串聯(lián)形式，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的MRAS模型結(jié)構(gòu)框圖

基本工作原理如下:由is與ωs經(jīng)電流模型得到ψs的觀測值ψ*s，再經(jīng)過電壓模型由ψ*s和is得到的Us觀測值，然后利用實(shí)際檢測得到的電壓Us和觀測到的電壓經(jīng)過廣義誤差環(huán)節(jié)得到廣義電壓誤差，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，其輸出量即為轉(zhuǎn)速觀測值ωs由此構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)觀測模型，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、磁鏈同時(shí)觀測。原電壓模型積分環(huán)節(jié)變成了求導(dǎo)環(huán)節(jié)，解決了積分初始誤差問題。

圖3和圖4分別為MRAS模型和改進(jìn)的MRAS模型下異步電機(jī)20Hz速度運(yùn)行的實(shí)際磁鏈和MRAS模型辨識磁鏈β軸的仿真波形，仿真時(shí)間為1s，其中藍(lán)色為實(shí)際磁鏈，紅色為辨識的磁鏈。從波形可以看出，MRAS模型對轉(zhuǎn)子參數(shù)的自適應(yīng)性很好，但由于其參考模型中含有積分環(huán)節(jié)，所以對直流偏置的誤差不能消除。同時(shí)，由于電壓模型中電阻參數(shù)的存在，定子電阻變化對磁鏈辨識準(zhǔn)確度有一定的影響。改進(jìn)的MRAS模型基本消除了直流擾動(dòng)和定、轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響(藍(lán)色與紅色波形已基本重合)，魯棒性很好。

3 電阻辨識與壓降補(bǔ)償

在異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，定子電阻是最基本的參數(shù)之一。無論是在按定子磁場定向矢量控制還是在直接轉(zhuǎn)矩控制中，系統(tǒng)的性能都受到定子電阻變化的影響，在高速情況下這種影響可以忽略，但是在低速下這種影響則非常嚴(yán)重。在實(shí)際系統(tǒng)中，定子電阻受到很多因素的影響，所以在設(shè)計(jì)異步電機(jī)按定子磁場定向控制系統(tǒng)時(shí)，必須考慮定子電阻變化對系統(tǒng)造成的影響。

圖3 MRAS法模型實(shí)際磁鏈和辨識磁鏈的比較波形

圖4 改進(jìn)的MRAS法模型實(shí)際磁鏈和辨識磁鏈的比較波形

定子磁鏈與感應(yīng)電機(jī)電動(dòng)勢的方程為:

由上式看出，定子電阻會(huì)在電機(jī)定子相電壓上產(chǎn)生壓降Rsis，定子磁鏈的感應(yīng)電動(dòng)ˉes勢受到定子電流矢量的大小和相位影響。電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，定子電阻上產(chǎn)生的壓降占定子相電壓的比例很大，是不能忽略的。所以有必要對定子相電壓采用壓降補(bǔ)償?shù)姆椒?，消除定子電阻上的壓降。隨溫度而變化的電機(jī)定子電阻實(shí)時(shí)值難以直接獲得，所以實(shí)現(xiàn)壓降補(bǔ)償關(guān)鍵便是使定子電阻的設(shè)定值與電機(jī)的定子電阻實(shí)時(shí)值相等。

列出異步電機(jī)按定子磁場定向在兩相坐標(biāo)系下的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型

在控制系統(tǒng)中，采用定子電阻壓降補(bǔ)償后，可以直接控制定子磁鏈，只要控制系統(tǒng)中的定子電阻設(shè)定值R*s和運(yùn)行中的電機(jī)實(shí)時(shí)值Rs相等即R*s=Rs，那么在指令電壓中加上一個(gè)抵消定子電阻壓降的分量R*sis，則無論定子電流如何變化，都有下式成立:

在兩相坐標(biāo)系中，為保持定子磁鏈恒定，即令控制系統(tǒng)中的電壓指令為

式中，Ψ*s為異步電機(jī)定子磁鏈的幅值指令值，在定子磁鏈定向系統(tǒng)中有ψ*sd=ψ*s。若不計(jì)逆變器的管壓降和死區(qū)電壓損耗，則電機(jī)中的感應(yīng)電動(dòng)勢為［6］:

利用以上不受電阻參數(shù)變化影響的改進(jìn)的MRAS定子磁鏈觀測器，構(gòu)造定子電阻辨識器，可以實(shí)現(xiàn)定子電阻在線辨識和校正。定子電阻壓降補(bǔ)償控制框圖如圖5所示。

由式(7)可知，如果定子電阻值發(fā)生變化，即給定電阻值R*s與電機(jī)實(shí)時(shí)值Rs不相等，那么定子磁鏈的幅值觀測值與指令值必將有誤差。在圖5中，定子磁鏈觀測器觀測出定子磁鏈幅值，將定子磁鏈的指令值ψ*s與觀測值之差作為定子電阻辨識器的輸入，辨識器將根據(jù)磁鏈誤差增大或減小R*s值，直到輸入誤差為零即。在=ψ*s時(shí)，定子電阻的辨識值便校正到電機(jī)定子電阻實(shí)際值，電機(jī)定子電阻上的壓降得到完全補(bǔ)償。

圖5 定子磁鏈觀測及定子電阻辨識器框圖

4 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

異步電機(jī)按定子磁場定向的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖中定子磁鏈觀測器采用改進(jìn)的MRAS方法，同時(shí)觀測定子磁鏈和轉(zhuǎn)子角速度，定子電阻由定子磁鏈給定值和觀測值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到。給定轉(zhuǎn)速n*與磁鏈觀測器輸出的估算轉(zhuǎn)速相比較，誤差信號送入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用，產(chǎn)生電流轉(zhuǎn)矩分量給定信號I*sq，I*sq與定子電流d軸分量送入轉(zhuǎn)差計(jì)算模塊，計(jì)算出轉(zhuǎn)矩所需的轉(zhuǎn)差角頻率ω*s，ω*s與轉(zhuǎn)子角頻率ω^r相加得到定子同步角頻率ω。

電機(jī)的dq電壓信號V*sd、V*sq，根據(jù)電機(jī)定子電壓公式推導(dǎo)得到，即

電壓信號V*sd、V*sq、定子同步角度φ和逆變器直流側(cè)電壓Ud，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換得到定子給定電壓αβ分量，送入SVPWM模塊進(jìn)行調(diào)制，生成逆變器所需SVPWM信號。

按圖6所示的系統(tǒng)原理框圖連接各模塊，搭建仿真模型。電機(jī)參數(shù)設(shè)置如下:UN額定電壓為380V，額定電流IN為8A，極對數(shù)np=4，額定轉(zhuǎn)速n=705，定子漏感Ls=0.00501H，轉(zhuǎn)子漏感Lr=0.00456H，互感為0.09751H，定子電阻 Rs=0.625Ω，轉(zhuǎn)子電阻初始值Rr=0.5Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=0.23kg·m2，額定轉(zhuǎn)矩 T=70N·m。機(jī)側(cè)采用LCL濾波，濾波電感L=1.0mH，濾波電容C=10μF。對電機(jī)帶額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，在300轉(zhuǎn)/分低速運(yùn)行(對應(yīng)同步轉(zhuǎn)速的頻率為20Hz)，進(jìn)行不同工況下的仿真。

(1)定子電阻辨識與補(bǔ)償作用的分析

給定轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/min，設(shè)定定子電阻在0.5s時(shí)由0.625Ω突變至1.625Ω，觀察電機(jī)運(yùn)行情況。

圖7為定子電阻變化時(shí)電機(jī)運(yùn)行特性波形和定子電阻、定子磁鏈、轉(zhuǎn)速辨識，仿真波形表明，由于系統(tǒng)定子電阻辨識及電阻壓降補(bǔ)償準(zhǔn)確，系統(tǒng)幾乎不受定子電阻變化影響，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖7 定子電阻變化電機(jī)運(yùn)行特性

(2)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析

設(shè)定負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.3s時(shí)由額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩70N·m躍變?yōu)?00N·m，在0.6s時(shí)由100N·m躍變?yōu)?0N·m，觀察電機(jī)運(yùn)行情況。

圖8為負(fù)載階躍升高和降低額定負(fù)載值的43%時(shí)電機(jī)運(yùn)行特性圖。(圖中深色為實(shí)際磁鏈，淺色為辨識的磁鏈。)

圖8 負(fù)載階躍升高和降低額定負(fù)載值的43%時(shí)電機(jī)運(yùn)行特性

(3)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

設(shè)定電網(wǎng)相電壓在0.5s時(shí)跌落20%，觀察電機(jī)運(yùn)行情況。

圖9 電網(wǎng)電壓跌落20%電機(jī)運(yùn)行特性

圖9為電網(wǎng)電壓跌落20%電機(jī)運(yùn)行特性，可以看出，電網(wǎng)電壓跌落后系統(tǒng)仍然保持穩(wěn)定運(yùn)行。(圖中深色為實(shí)際磁鏈，淺色為辨識的磁鏈。)

5 結(jié)論

在異步電機(jī)按定子磁場定向控制系統(tǒng)中，通過利用定子磁鏈辨識值和磁鏈給定值誤差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)辨識定子電阻，進(jìn)行定子電阻在線辨識與電阻壓降補(bǔ)償能夠很好地消除定子電阻變化對系統(tǒng)的影響。特別是電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，定子電阻變化對系統(tǒng)的影響降到很小，控制系統(tǒng)不僅能很好的應(yīng)對自身電阻變化時(shí)產(chǎn)生的問題，對外界因素變化也具有很強(qiáng)的抗干擾性，整個(gè)系統(tǒng)具有很好的魯棒性。

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