賈國濤, 張煒權, 劉國慶

一種異步電機全階磁鏈觀測器設計方法

賈國濤, 張煒權, 劉國慶

(中國船舶集團有限公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650101)

隨著新型水下電動混流泵發(fā)射動力技術的不斷發(fā)展, 對高速電機驅動提出了新的要求。但傳統(tǒng)全階磁鏈觀測器設計會引發(fā)系統(tǒng)極點產生正實部, 造成無速度傳感器控制系統(tǒng)不能在低轉速區(qū)域保持穩(wěn)定, 促使裝置啟動失敗。針對此, 文中提出一種新的異步電機全階磁鏈觀測器設計方法, 設計了一種基于全階磁鏈觀測器的誤差反饋矩陣, 可同時保證觀測器極點實部和估計轉速傳遞函數(shù)的零點實部都小于零, 從而保證了觀測器以及估計轉速的穩(wěn)定。實驗驗證了該方法的有效性。

異步電機; 全階磁鏈觀測器; 無速度傳感器; 矢量控制; 轉速估計

0 引言

但是無速度傳感器矢量控制技術在電機低速(5 Hz)運行時, 存在不穩(wěn)定區(qū)間, 該區(qū)間是由于觀測器極點存在正實部所導致[1]。因此, 如何設計高魯棒性和高穩(wěn)定性的磁鏈觀測器是無速度傳感器矢量控制研究的關鍵問題。各國學者對多種觀測器進行了研究: 文獻[2]～文獻[3]采用低通濾波器取代電壓模型法中的純積分環(huán)節(jié), 從而對電機磁鏈進行觀測, 當定子頻率遠大于低通濾波器的截止頻率時, 此觀測方法具有較好的精度; 文獻[4]～文獻[6]通過在同步旋轉軸系下采用電壓模型和電流模型分別作為模型參考自適應系統(tǒng)(model reference adaptive system, MRAS)的參考模型和可調模型, 算法計算量小; 文獻[7]～文獻[9]采用全階磁鏈觀測器方法, 選取定子電流和定子磁鏈作為狀態(tài)變量, 觀測出定子磁鏈以用于直接轉矩控制。

但是以上觀測器均在電機低速范圍存在正實部極點, 即均存在低速不穩(wěn)定區(qū)域。相比其他觀測器, 全階磁鏈觀測器的低速不穩(wěn)定區(qū)域最小[10], 文中利用全階磁鏈觀測器的誤差反饋矩陣系數(shù), 通過對觀測器的極點和估計轉速傳遞函數(shù)的零極點進行配置, 同時保證觀測器極點實部和估計轉速傳遞函數(shù)的零點實部都小于零, 使系統(tǒng)極點收斂, 以保證系統(tǒng)在低速區(qū)域的穩(wěn)定性。

1 異步電機數(shù)學模型

在同步旋轉坐標下, 選擇定子磁鏈和轉子磁鏈作為狀態(tài)變量, 異步電機的狀態(tài)方程為

2 全階磁鏈觀測器設計

為解決異步電機無速度傳感器系統(tǒng)在低速區(qū)域的不穩(wěn)定性, 設計一種基于全階磁鏈觀測器的誤差反饋矩陣, 該矩陣可同時保證觀測器極點和轉速估計開環(huán)傳遞函數(shù)零點具有負實部, 解決無速度傳感器系統(tǒng)在低速區(qū)域的不穩(wěn)定性。

全階磁鏈觀測器方程

新時代背景下，國內市場經濟持續(xù)快速發(fā)展，市場競爭不斷加劇，各個企業(yè)在生產經營中所面臨的風險也不斷增加。同時，面對新的市場形勢，不少企業(yè)仍然沿用傳統(tǒng)財務會計管理模式，導致在實際運營過程中風險相對增多。而財務會計風險管理工作是企業(yè)日常管理工作的重要內容，對企業(yè)的長遠發(fā)展有非常重要的影響。因此，各個企業(yè)必須加強優(yōu)化自身的財務會計風險管理，以保證自身健康、順利發(fā)展。

全階磁鏈觀測器系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖中, 轉速估計自適應律可由李雅普諾夫穩(wěn)定定律得到

通過對誤差反饋矩陣的設計可以進行觀測器極點配置, 以及估計轉速傳遞函數(shù)的零極點配置, 控制系統(tǒng)收斂速度并保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

為了加快觀測器的收斂速度, 在設計誤差反饋矩陣時將觀測器極點向左半平面平移, 使觀測器的極點位置如圖2所示[9]。

雖然圖2中觀測器的極點全部具有負實部, 即觀測器是收斂的, 但如圖3所示, 轉速估計傳遞函數(shù)的部分零點具有正實部, 因此根據(jù)系統(tǒng)極點分布規(guī)律, 當轉速估計傳遞函數(shù)中的增益大于一定條件后, 會導致轉速估計傳遞函數(shù)具有正實部極點, 即轉速估計是發(fā)散不穩(wěn)定的。因此, 為了完全保證異步電機的穩(wěn)定性, 需要滿足條件: 觀測器全部極點和轉速估計開環(huán)傳遞函數(shù)的全部零點均具有負實部。

圖2 傳統(tǒng)觀測器與電機極點分布

圖3 傳統(tǒng)轉速估計開環(huán)傳遞函數(shù)零點分布

為滿足該條件, 需要得到轉速估計傳遞函數(shù)。由式(1)減去式(2)可得

由式(4)可得轉速估計傳遞函數(shù)

由式(3)和式(5)可得轉速估計傳遞函數(shù)框圖如圖4所示。為了完全保證異步電機的穩(wěn)定性, 轉速估計開環(huán)傳遞函數(shù)的全部零點均具有負實部。

圖4 轉速估計傳遞函數(shù)框圖

聯(lián)合式(3)和式(5), 得到如圖5所示勞斯-赫爾維茲穩(wěn)定判據(jù)示意圖。

圖5 勞斯-赫爾維茲判據(jù)

由圖5得估計轉速傳遞函數(shù)具有正實部零點的充分條件為

由于同步轉速ω既可以是正數(shù)也可以是負數(shù), 為簡化式(6), 令

1) 由=0知, 反饋矩陣系數(shù)1和2必須滿足

2) 由條件>0可知, 為保證估計轉速的穩(wěn)定性, 反饋矩陣系數(shù)1必須滿足

3) 由>0知, 反饋矩陣系數(shù)1和3須滿足

由以上條件, 設計誤差反饋矩陣參數(shù)如下

由式(11)可得觀測器極點分布如圖6所示, 轉速估計開環(huán)傳遞函數(shù)零點如圖7所示。

圖6 新設計的觀測器與電機極點分布

圖7 新設計的轉速估計開環(huán)傳遞函數(shù)零點分布

由圖6和圖7可知, 文中設計的誤差反饋矩陣能夠同時保證觀測器極點和估計轉速開環(huán)傳遞函數(shù)零點具有負實部, 即能夠保證系統(tǒng)在所有轉速范圍下的穩(wěn)定性。

3 實驗驗證

為了驗證新設計誤差反饋矩陣的有效性, 需要進行電機的極低速實驗, 分別對改進前后的全階磁鏈觀測器穩(wěn)定性進行對比, 實驗平臺采用7.5 kW異步電機對拖平臺, 轉速測量平臺采用正余弦編碼器, 編碼器濾波時間常數(shù)為1 ms, 轉速波形采樣為1 ms/次。實驗結果如圖8和圖9所示。實驗所用被測電機參數(shù)如表1所示。

圖8 傳統(tǒng)全階磁鏈觀測器穩(wěn)定性實驗結果

圖9 基于誤差反饋矩陣的全階磁鏈觀測器穩(wěn)定性實驗結果

表1 被測電機參數(shù)

4 結束語

文中針對異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)具有低速不穩(wěn)定性, 有可能造成裝置啟動失效的不足, 對傳統(tǒng)全階磁鏈觀測器的不穩(wěn)定問題進行分析, 提出一種新的異步電機全階磁鏈觀測器設計方法, 設計了一種基于全階磁鏈觀測器的誤差反饋矩陣, 該方法可保證觀測器和估計轉速的穩(wěn)定, 實驗驗證了該方法的可行性。

新型水下電動混流泵發(fā)射動力系統(tǒng)控制復雜且運行條件惡劣, 為了進一步提高系統(tǒng)運行的可靠性與魯棒性, 在今后的研究中將針對電機參數(shù)的非線性特征設計參數(shù)在線辨識, 并結合實際動力系統(tǒng)驗證控制方法的可靠性。

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New Design Method for an Asynchronous Motor Full-Order Flux Observer

JIAGuo-tao, ZHANG Wei-quan, LIU Guo-qing

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Kunming 650101, China)

New technologies for electric underwater mixed-flow pump launch power are increasingly becoming an active research topic in the underwater attack and defense field, in which the reliability design of equipment is the key feature. However, the traditional design method of an asynchronous motor full-order flux observer leads to a positive real part of the poles of the system, resulting in a speed sensorless control system that is not stable in low-speed regions, and, thereby, in the failure of the start-up of the device. This study, therefore, proposes a new design method for an asynchronous motor full-order flux observer, which is designed based on a full-order flux observer while ensuring that the real part of the pole of the observer and the real part of the zero point of the estimated speed transfer function are less than zero. As a result, the stability of the observer is ensured while the speed is estimated. Finally, the effectiveness of the method is verified experimentally.

asynchronous motor; full-order flux observer; speed sensorless; vector control; speed estimation

賈國濤, 張煒權, 劉國慶. 一種異步電機全階磁鏈觀測器設計方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2021, 29(5): 596-600.

TJ630; TM343

A

2096-3920(2021)05-0596-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.012

2020-11-02;

2021-01-27.

張煒權(1981-), 男, 碩士, 高工, 主要研究方向為流體轉動與控制.

(責任編輯: 楊力軍)