孫振川

(棗莊學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

基于加權(quán)模型的異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制定子磁鏈估計(jì)

孫振川

(棗莊學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

提出了異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中定子磁鏈估計(jì)的加權(quán)模型，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)全速運(yùn)行范圍內(nèi)定子磁鏈估計(jì)的u-i模型和i-n模型之間的平滑切換，并用MATLAB/Simulink對(duì)該模型進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，加權(quán)模型可以在異步電動(dòng)機(jī)全速運(yùn)行范圍內(nèi)準(zhǔn)確地估計(jì)定子磁鏈，為實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制奠定了基礎(chǔ).

異步電動(dòng)機(jī)；定子磁鏈估計(jì)；加權(quán)模型.①

0 引言

在異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，在電動(dòng)機(jī)全速運(yùn)行范圍內(nèi)準(zhǔn)確無(wú)誤地估計(jì)定子磁鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)性能的前提和保證[1].定子磁鏈估計(jì)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(lái)確定定子磁鏈的模型.這種模型最簡(jiǎn)單，在計(jì)算過(guò)程中所唯一需要知道的電機(jī)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(shí)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(shí)，才能夠非常準(zhǔn)確地估計(jì)定子磁鏈.i-n模型是用定子電流和轉(zhuǎn)速來(lái)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(lái)計(jì)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(guān)測(cè)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(diǎn)，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(shí)，需要一個(gè)電流PI調(diào)節(jié)器，它的作用是強(qiáng)迫電動(dòng)機(jī)模型電流與實(shí)際的電動(dòng)機(jī)電流相等，這樣可以提高電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)定子磁鏈估計(jì)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(dòng)機(jī)全速運(yùn)行范圍內(nèi)準(zhǔn)確地估計(jì)定子磁鏈，為實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制奠定了基礎(chǔ).

1 定子磁鏈估計(jì)的加權(quán)模型

為了實(shí)現(xiàn)定子磁鏈估計(jì)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(diǎn)，在此轉(zhuǎn)速的鄰域內(nèi)，讓定子磁鏈估計(jì)模型由i-n模型平滑過(guò)渡到u-i模型，使得在異步電動(dòng)機(jī)的全速運(yùn)行范圍內(nèi)都能準(zhǔn)確地估計(jì)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(guò)渡區(qū)間，加權(quán)方式采用線(xiàn)性加權(quán)法.如圖1所示，0表示定子磁鏈估計(jì)的i-n模型，1表示定子磁鏈估計(jì)的u-i模型，A點(diǎn)表示25%額定轉(zhuǎn)速，B點(diǎn)表示30%額定轉(zhuǎn)速，C點(diǎn)表示35%額定轉(zhuǎn)速.在C點(diǎn)以上用u-i模型，在A(yíng)點(diǎn)以下用i-n模型，在A(yíng)點(diǎn)和C點(diǎn)之間，采用線(xiàn)性加權(quán)的方式，從i-n模型線(xiàn)性過(guò)渡到u-i模型.

假設(shè)整個(gè)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間為Δt(可以由u-i模型的仿真曲線(xiàn)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(kāi)始計(jì)時(shí)所得到的時(shí)間，其值域?yàn)閇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(guò)渡過(guò)程的定子磁鏈幅值為

ψs=k1ψs1+k2ψs2

(2)

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

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

圖1 定子磁鏈估計(jì)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(duì)異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中定子磁鏈估計(jì)的三種基本模型和加權(quán)模型，采用Matlab/Simulink仿真軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)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(duì)數(shù)np=2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.02N·m2.仿真時(shí)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(shí)電機(jī)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(shì)，可以在異步電動(dòng)機(jī)全速運(yùn)行范圍內(nèi)更準(zhǔn)確地估計(jì)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(dòng)機(jī)全速運(yùn)行范圍內(nèi)準(zhǔn)確地估計(jì)定子磁鏈.

3 結(jié)論

本文從異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中三種模型出發(fā)，運(yùn)用MATLAB/simulink中的s函數(shù)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈估計(jì)加權(quán)模型進(jìn)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(dòng)機(jī)全速運(yùn)行范圍內(nèi)準(zhǔn)確地估計(jì)定子磁鏈.

[1]陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

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

[3]薛定宇，陳陽(yáng)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(jī)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(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2011QN37)..

孫振川(1983-)，男，山東滕州人，棗莊學(xué)院機(jī)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(jī)控制研究.

閆昕]