改进U_I法异步电机转子磁链估计器.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.第卷 第期洲年月中国电机工程学报。文章编号一一一中图分类号文献标识码学科分类号改进一法异步电机转子磁链估计器张春朋,林飞,陈寿孙清华大学电机工程与应用电子技术系,北京一,呵,一叩,面,一七,一刀一扭晚一免摘要在磁场定向控制的异步电机驱动系统中,精确的磁链估计是提高系统性能的关键。然而,参数摄动和量测噪声会导致估计器性能的下降。为了减小估计误差,必须抑制这些不确定因素对估计器的影响。在基于跟踪一微分器的电流定向的坐标系中,提出 了定子 电阻辨识和稳态磁链估计的新方法,该方法本身完全独立于电阻和转速。利用其结果,提出了改进一法磁链估计器。该估计器在适应定子电阻和抑止噪声积累方面优于一法。仿真表明该估计器具有很高的精度和良好的抗扰性。关键词磁链估计定子电阻辨识电流定向跟踪一微分器异步电机,引言异步电机传动系统 的应用日益广泛,而 且很多工业场合如电动汽车采用转子磁场定向的控制方式。获得精确的转子磁链是实现高性能控制的关键,而电机参数摄动和量测噪声等不确定性因素会恶化磁链估计器 的性能。因此,抑制扰动、提高磁链估计精度是一个极具实际意义的问题。最近十年,转子磁链估计一直是研究的热点,主要的方法包括基于 电机模型的方法一、信号分析的方法及现代控制理论的方法,等等。信号分析的方法往往依赖于电机本身的结构特点,因此通用性较差。现代控制理论,如扩张滤波器、模型参考自适应方法、稳定性原理等,在转子磁链观测中得到一定 的应用,但往往难以兼顾误差收敛速度和参数敏感性两个方面,同时还要面临计算开销过大的问题。基于电机模型的方法主要包括一法、一。法和一仍法。一法不涉及转速和转子时间常数,具有较好的鲁棒性,因此得到了广泛 的应用。一法的主要不足在于对定子电阻的摄动比较敏感和易发生积分漂移。近年来,国内外学者致力于积分环节改进和定子 电阻辨识的研究,取得了宝贵的经验。本文提出了一种改进一法的转子磁链估计器。首先在基于跟踪一微分器的电流定 向的坐标系中进行稳态转子磁链估计和定子 电阻辨识,在此基础上,改进经典的一法估计器。改进一法可以抑制定子 电阻摄动、量测噪声积累以及电机剩磁等不确定因素对转子磁链估计精度的影响。此外,本文中假定磁路为线性且电感参数为已知常数。电流定向和跟踪一微分器电流定向异步电机控制中,常用的坐标系有静止任刀坐标系的和磁场定向的坐标系。本文提出一种电流定向的新坐标系,它在稳态磁链估计和定子电阻辨识方面具有独特的优点。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.第期张春朋等改进一法异步电机转子磁链估计器异步电机定子 电流在空间合成矢量,其旋转速度为以,在,夕坐标系中投影为卿定义图所示的“一坐标系”,其轴与同方向,并落后轴,且坐标系的旋转速度等于以。本文中以下标、来区分各矢量在、轴上 的投影。的快速控制最优函数为“二,为,其中,为非线性函数 其定义详见文,则离散系统,一凡生噢,、凡凡又找产凡一吸,凡,称作信号的“跟踪一微分器”,其输出戈为的微分,。例图给出了信号兀和夕兀的微分结果,其中为噪声。显然,利用得到了高品质的的微分,而纯微分器放大了中的噪声,淹没 了有效信号。图电流定向的卜坐标系一坐标系与刀坐标系间电流的变换关系为、广又一以丫卜厂厂了一片,夕火夕尸,及其纯微分结果,一,及其纯微分结果压电、声式 中“换矩阵一。,一只乓一乓乓和磁链也具有同样的变换关系。因轴定向于电流矢量毛,故有,。若令叮一纵,口,几之即,则异步电机电磁子系统的数学模型可写成妙、卜匕州酬少卜厂厂沙率为公产、屯之尸尸帆,一,然码一僻 然纵碑一州娇一码一僻怖入乓心,然,僻件一乓,乓几几几万然一僻娇,一石几码,乌及其跟踪微分结果图纯微分器和求得的微分信号山稳态转子磁链估计和定子电阻辨识除特别说明外,本节的符号均基于一坐标系。基于式,消去僻 和,可得到、少、少了、了、式中和为定子电压奸和热为转子磁链、为定转子电阻、为定转子电感乙卿为转子时间常数几为定转子互感僻为电机转速。坐标系的也即的旋转速度以仅与定子 电流有关,若当前采样周期为,则有乓、刀码哄一凤式中为采样步长。因量测 噪声的存在,式难以给出高品质的微 分信号,而利用跟踪一微分器一笼田可以准确计算雌,实现 电流定向,即以印跟踪一微分器一能碑,一凡乌码然几一乌乌碑一乌几码一僻然级可 以求得二阶离散系统丁,凡,上两式不涉及转子时间常数和 电机转速,且仅式中包含定子 电阻。相对于电磁子系统的时间常数,、随温度的变化过程极慢,因此在考察磁链方程时,可近似认为恒定。磁链达到稳态时,有碑则由式可得然一几几乌以若令弧再恢,则稳态时有展开上式,并将转子 电压基本方程代入,可得到么一尺件磷其中和碗为转子电流的两个分量,且然一气,然将上两式代入式,可得 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.中国电机工程学报第卷然,一纵,然嵘一求解式,便得到姚的稳态表达式然土丫纵一然磷,一由于考虑的是稳态情况,所以式中正负号仅取决于二耀径标系中定子 电压、“叨的相位关系,当涯前叨时,取“一”号,反之,取“”号。所以式可改写为磷丫气、,一然娇,其中,氏一,。,“一可,可。磁链达到稳态后,有,嘛,根据式可得以然乓几式、和一的离散形式为减少了定子电阻摄动的影响。定子 磁链稳态估计值取代了未知的剩磁,使得积分初值更为准确。时刻成为新的积分起点,量测噪声的积累过程由,缩短为兀,可以有效抑制积分漂移。从式、的离散形式中同样可 以看出这些方面的改进,如式、所示。一法嘛城一乌几,火一艺,一,、艺,一,。,做、一乙。,么。以一,、认,、,长、“门、,、然”气又编一然然改进二,法码磷几几上两式分别是稳态转子磁链估计器和定子电阻辨识器。稳态磁链估计与磁链的初值无关,不包含定转子电阻和转速,仅利用某一稳态时刻定子 电压电流值即可计算转子磁链。这个突出的优点得益于电流定 向的使用。改进一法转子磁链估计器除特别说明外,本节的符号均基于详夕坐标系。经典的一法转子磁链估计器为城乓城一乌乓。【买,一,。,一。、,式中叭、嘛分别为定、转子磁链矢量的估计值,帆。为未知的定子磁链初值或剩磁,为定子 电阻设定值,代表量测噪声 引入的干扰。利用第节的结论,可以改写式。假定在时刻电磁子系统处于稳态,则根据式、和可以得到此 时转子磁链和定子电阻的估计值,则时刻之后转子磁链的估计可写成城几火一乌乓、一、火,一。、,式即为改进一法转子磁链估计器。其中城、户、分别为定子磁链和定子电阻在时刻的估计值。式与式相比,有以下三个方面的改进定子 电阻在线辨识结果取代了设定值,嘛城一八乓火一艺一户,艺一户、,城,“,式中为当前步长,代表量测噪声从第到第步的积累。综合式、和,可 以给出改进一法的结构框图,如图所示。可以看出,改进一法具有稳态磁链校正或反馈,具有闭环的结构。暂暂态和稳态态态口 户了暂态时刻拼尽坐标系坐标变换换一坐标系改改进一法法法法稳态磁链估计计估估计器器器器定子电阻辨识识图改进一法磁链估计器的结构彻应用与分析研究一的异步电机,其互感为,定转子电感为,定子 电阻初始值为。用 图的曲线模拟定子电阻的摄动情况。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.第期张春朋等改进一法异步电机转子磁链估计器电机在矢量控制下运行,磁链和速度指令分别为和。电压 电流信号含有一定的量测噪声。图给出了的定子 电阻辨识器的辨识误差,图和分别给出了一法和改进一法磁链估计器的角度估计误差和幅值估计误差。显然,一法 的估计误差受到定子 电阻摄动 的影响,同时随着噪声的积累逐渐发散。而改进一法磁链估计器在辨识定子 电阻和抑制噪声积累的基础上,估计误差很小且不会发散。一州卜侧侧二二今卜卜卜少少少节一叹润润二二二二二二二二二二二卜卜月口、的叫定子电阻变化规律洲洲洲洲洲洲洲洲洲一巧一卜护乌老者磁链角度估计误差一二沙飞一图仿真结果结束语本文利 用跟踪一微分 器建立电流定 向的坐标系,以此为新的切入 点,探讨了异步电机转子磁链估计 问题,提出了改进一法。新方法具备定子 电阻辨识能力,可抑制量测噪声的积累,因此能够适应系统中某些不确定性的扰动。鲁棒性方面,改进一法与一法相同,优于一。法和一。法。此外,与、等方法相比,改进一法算法简单,易于实现。仿真研究表明,改进一法精度较高,适用于无速度传感器的异步电机控制系统。参考文献】张春朋,林飞,基于定子电流矢量定向的异步电机转子磁链估计器及其应用研究中国电机工程学报仪咫飞,一黎亚元,唐浦华,宋昌林,山,直接转矩控制中一种磁链估计新方法吐卿咖中国电机工程学报,一,一叫,一林飞,张春朋,宋文超,等,比,基于扩 张状态观测器 的感应 电机转子磁链观测由认耐比中国电机工程学报,一,一啊即,以,一,一谢鸿鸣,陈伯时飞,异步电机定子磁链的间接观测方法止一加电气传动,一,】,一,石一卜正田,一韩京清,袁露林,跟踪一微分器的离散形式硕一系统科学与数学,一收稿日期一一。作者简介张春朋,男,博士研究生,从事电力电子和电机控制的研究林飞一,男,博士研究生,从事电力电子和电机控制的研究陈寿孙一,男,教授,博士生导师,从事动态电力系统的研究。责任编辑丁玉瑜