基于转子磁场定向交叉补偿的磁链估计器的设计与实现

基于转子磁场定向交叉补偿的磁链估计器的设计与实现
顾兰;李智;陈涛;牛军浩
【摘要】针对如何更准确的估计矢量控制中的磁链,本文提出了一种交叉补偿的电压型转子磁链观测器.首先,采用软件建立了异步电机矢量控制系统仿真模型,分析了传统的电流型转子磁链观测器、电压型磁链观测器的优缺点及使用范围.然后,建立了矢量控制系统模型,并将低通滤波器模型、交叉补偿的模型分别放入到矢量控制系统中.仿真实验结果表明,基于交叉补偿的电压型转子磁链观测器可以有效的补偿由低通滤波器环节产生的幅值和相位误差,且算法简单,可以更好的应用.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2017(024)004
【总页数】6页(P19-23,14)
【关键词】矢量控制;磁链观测;低通滤波器;交叉补偿
【作者】顾兰;李智;陈涛;牛军浩
【作者单位】桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林 541004;桂林航天工业学院,广西桂林 54100;桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林 541004
【正文语种】中文
【中图分类】TH
矢量控制就是将静止坐标系上表示的电机矢量关系变换到以气隙磁场、定子磁场或转子磁场定向的旋转坐标轴系上，达到对电机转矩的实时控制的目的。

对转子磁链
进行准确的估计是交流调速系统中最重要的问题之一。

首先搭建了矢量控制的仿真，然后在矢量控制的基础上，搭建不同的磁链估计模型的仿真，并进行对比验证。

本文选用MATLAB/Simulink软件作为电机矢量控制仿真的软件[1,2]。

然后在
8.2KW的叉车电机上，以TMS320F28335作为控制芯片进行了验证。

磁链观测的方法主要有两种，直接法在电动机的定子内表面贴霍尔元件，往往会存在不少工艺和技术上的问题，应用不便。

间接法是利用各种磁链观测模型，计算出定子磁链或转子磁链信息。

目前观测方法主要有电流模型、电压模型。

电流型观测模型依赖于电机参数Lm和Tr，当电机高速和低速运行时，电机参数变化较大，
估计误差较大。

因此，只应用与低速场合。

电压模型具有转子参数的不敏感性，且无需速度信号等优点，因而较电压型应用较广泛。

电压模型在实际应用中存在以下两个主要问题：一是低速场所对定子电阻变化敏感；二是模型中积分环节易引起误差积累、漂移问题等。

很多专家学者对此问题提供了很多解决方法。

例如文献[3]中利用低通滤波器代替积分环节，并分析了其中的误差，做出了简单的补偿，但是这种方法只适合用于稳态中，动态性能较差。

文献[4]中将反电动势高通滤波，同时应用平均计算的方法消除直流偏置，但是未对磁链的幅值和相位进行补偿。

因此，误差较大。

文献[5，6]截止频率可编程的低通滤波器交叉补偿的方法，但截止频率、限幅值大小等很多问题难以确定，且算法复杂，难于应用与实际中。

实际应用常用的改进方法低通滤波器法、级联低通滤波器法、交叉校正法[7]。

本文受文献[7]中提到的定子磁场定向交叉校正法启发，得出转子磁
场定向电压模型的改进方法，同理应用交叉校正的方法补偿电压模型低通滤波器带来的幅值和相位误差，并通过仿真将改进的电压模型磁链观测器与改进模型磁链观测器对比验证，最后在电机上通过实际应用验证理论的正确性。

矢量控制系统如图1所示，首先通过传感器检测到电机的三相电流iA、iB、iC和
速度ω。

三相电流经过Clark变换转换为两相直角坐标系下的电流流iα、iβ。

iα、
iβ和转速ω共同作为转子磁链观测模型的输入。

经过转子磁链观测模型输出磁链幅值ψ和角度φ。

其中磁链角φ用于Park变换中。

其次，得到的励磁电流im和it分别输入到磁链PI控制器和转速PI控制器，达到对磁链和转速的独立控制。

最后，im和it输入到电压前馈单元，输出为转子磁场同步坐标系下的电压分量um 和ut，经过Park变换后得到两相静止坐标系上的电压分量uα和uβ，经过SVPWM脉宽调制后，得到控制电机的六路SVPWM波。

Simulink提供了基于磁场定向的变频交流电机的例程Field-Oriented Variable-Frequency Induction Motor Drive，根据电机矢量控制系统图搭建的仿真模块如图2所示。

与Simulink所有的所示矢量控制系统不同。

一是它只有速度闭环，而应用的直接矢量控制为速度和磁链双闭环。

因此，要在此基础上增加磁链环。

二是未采用SVPWM技术，而是应用的电流滞环跟踪控制产生PWM脉宽调制波。

在此基础上添加了具有PI调节器的电压前馈控制模型和SVPWM电压源型脉宽调制器。

如图2所示，增加后的矢量控制系统仿真。

转子磁链电压模型依据电机定子电压、电流估计磁链幅值和相位，根据感应电机数学模型，可得在按转子磁场定向的同步坐标系下，其相应的控制方程式为：
式中：Ψr、us和is分别为转子磁链、定子电压和电流矢量；Rs和Ls分别表示定子电阻、定子电感和漏磁系数。

三相静止坐标系下的定子电压 uA、uB、uC和定子电流iA、iB、iC经过3s/2s变换可得到两相的静止坐标系下的定子电压uα、uβ和定子电流iα、iβ。

由式子（1）可得到α和β 轴上的转子磁链，然后对其进行矢量求和便可得到转子的总磁链。

转子磁链电压模型运算框图如图3所示。

上述电压模型虽然具有运算量小，容易实现的优点，但是由于在估算过程中，需要使用纯积分环节，造成了电压模型的估计精度受电压和电流信号中的直流分量、初始值误差的影响较大。

所以需要对电压模型进行了改进。

下面将要讲述传统改进方案，用低通滤波器代替积分环节，带来的幅值和相位误差，并分析其误差，在此基
础上提出一种新型的电压型磁链观测器。

1）低通滤波器代替积分器磁链估计算法分析
利用低通滤波器代替积分器实现转子磁链估计的表达式和传递函数为：
根据传递函数可得低通滤波器的幅值和相位误差：
式中：ωs为电动势的角频率，即定子的供电角频率；ωc为低通滤波器的截止频率；为估计磁链值，为磁链实际值；为估计角度；为实际磁链角度。

由式子（3）可以看出当低频时幅值和相位误差都较大，例如当ωs= ωc时，可以得出幅值误差为，角度误差为可见已经非常大了。

下面将讲述改进后的磁链估计算法。

2）由上面的分析可以清晰的看出低通滤波器代替积分器带来的幅值和相位误差，受文献[4]所提出的方法。

本文提出一种转子磁场定向交叉校正法。

由式子（3）可得，转子磁场在α轴上的真实值为：
将式子（3）带入式子（4），同时令
整理可得：
根据三角公式正弦函数、余弦函数和正切函数之间的关系得：
将公式（6）中求出Ψr并带入公式可得α轴磁链幅值：
整理化简公式（7）可得：
同理可得β轴磁链幅值：
由式子（8）、（9）可得转子磁场定向的磁链估计器，可得图4为改进的转子磁链电压模型运算框图。

由图4可知，无论α轴还是β轴的磁链值都由其估计值和补偿值共同决定，而且交叉反馈。

因为整个系统的分析是在稳态的情况下进行的，所以当稳态时，令flag=1；当动态时，不补偿令flag=0。

1）仿真结果
低通滤波器磁链观测器、交叉校正电压磁链观测器的幅值、角度和同步转速的仿真结果如图5、图6、图7所示。

图5为两种磁链观测对比图，磁链给定为1.5，可见最后两种模型幅值都趋近于1.5，基于交叉补偿的磁链观测器更快的趋于给定值，且比较平滑。

图6为改进型电压模型角度，0.5s左右后趋于稳定，图7为低通滤波器磁链观测器和交叉补偿器磁链观测器对角度积分，积分后斜率代表速度，两者斜率相同则可知估计的转速相同，且可得电机转速趋于稳定。

2）电机运行结果
叉车电机控制硬件平台主要由48V蓄电池、DSP控制器、驱动电路、逆变电路、三相交流电机和信号电流采样电路组成，如图8所示。

三相交流电机选用XYQD-8.2CH交流变频油泵电机，额定功率8.2kW，额定线电压34V.AC，额定电流190A，额定转速为2000r/min，转速范围0 r/min～2890r/min。

分别设定速度目标值为1500r/min和2000r/min，叉车电机稳定运行后，统计转速和稳态误差。

图9 为利用CCS6.0软件里面的Graph画出的电机速度曲线。

表1，表2为速度稳定后采集的电机速度。

图9可以看出，电机跟随给定，慢慢达到给定的速度。

表1和表2所示，系统稳态后的误差可以保持在1%以内。

实验结果表明，本文设计的磁链估计算法可以精确估计磁链，并在实际应用中可以很好地对交流电机进行精确控制。