异步电机矢量控制中转子磁链的直接观测方法_王铁军

文章编号:1009-3486(2002)05-0019-03异步电机矢量控制中转子磁链的直接观测方法Ξ王铁军,单潮龙,赵镜红,张俊洪(海军工程大学电气工程系,湖北武汉430033)摘　要:以异步电机的等效电路为模型提出了在电机的外部构造转子磁链物理观测器的方法.理论上证明了在选取合适参数之后,用该物理观测器可以直接得到感应电机转子磁链的大小与相位,该方法用于异步电机的矢量控制系统,具有很好的实时性,且避免复杂的数字运算.关键词:感应电动机;矢量控制;转子磁链观测中图分类号:TM346.2 文献标识码:A图1　U V W 、αβ、dq 坐标系与电流矢量在异步电动机的调速技术中,转子磁链的定向矢量控制代表着该领域中新的技术理论.转子磁链定向的基本思想是:将U VW 坐标系变换到αβ坐标系,再由αβ坐标系变换到d q 坐标系[1],当选择的d 轴与转子的全磁链Ψ・2重合时,称该坐标系为M T 坐标系.此时,代表定子磁动势的空间矢量电流i 1被分解为M 轴方向的励磁分量i m 1和T 轴方向的转矩分量i t 1,图1表示3种坐标系与矢量电流.可以证明[2],异步电动机的电磁转矩为:T =n pL mL r Ψ2i t 1(1)而转子磁链为:Ψ2=L m1+T 2p im 1(2)式中:n p 为电机磁极对数;L m 为定转子间互感;L r 为转子电感;T 2=L r /R 2为转子时间常数;p 为微分算子.从(1)、(2)式中不难看出,通过合适的坐标变换可以实现与直流电动机类似的速度控制过程.为了进行磁场定向和坐标变换,以及对控制系统中的指令电量和检测电量作运算处理,需要确定转子磁链的图2　磁链观测器原理框图瞬时空间位置和大小.Ψ・2的观测有多种方法[1～4].随着微处理器技术的发展,目前多采用间接观测的方法,即检测定子的电压、电流或转速等物理量,再利用转子磁链的数学模型,实时计算转子磁链的幅值和相位.图2为根据定子电流和定子电压的检测值估算转子磁链的原理框图,图中:u u ,v ,w 、i u ,v ,w 分别为来自电压检测器、电流检测器的异步电动机定子三相电路的电压、电流信号.(3)、(4)两式为磁链观测器的内部运算关系.Ψα2=L rL m [∫(u α1-R 1i α1)d t -L s σi α1](3)Ψβ2=L r L m[∫(u β1-R 1i β1)d t -L s σi β1](4)　第14卷　第5期　2002年10月 海军工程大学学报　JOURNAL OF NAVAL UN IV ERSIT Y OF EN GIN EERIN G Vol.14　No.5　Oct.2002　Ξ收稿日期:2002203222;修订日期:2002204218作者简介:王铁军(19652),男,讲师,硕士.|Ψ2|=Ψ2α2+Ψ2β2(5)cos θ1=Ψα2/|Ψ2|(6)sin θ1=Ψβ2/|Ψ2|(7)式中:L s =L m +L l 为定子电感;L l 为定子漏感;σ=1-L 2m /L s L r 为漏感系数.要想实时得到Ψ・2的观测结果,需要进行高速复杂的数字运算.目前在该问题的技术实现中,一般都采用DSP 等高性能的微处理器,但微处理器仍存在如运算速度、误差积累、可靠性等问题.此外,完全采用该类技术还带来了对微处理器等器件的依赖性.1　直接磁通观测方案1.1　原　理不计铁损耗时,异步电动机在静止αβ坐标系中的等效电路如图3所示.图3　αβ坐标系中的等效电路定子磁链的瞬时值为:Ψm α=Ψm cos ω1t (8)Ψm β=Ψm sin ω1t(9)定子、转子感应电势的瞬时值为:[e 1αe 1βe 2αe 2β]=p[Ψm αΨm βΨ2αΨ2β]=ω1[-Ψm βΨm α-Ψ2βΨ2α](10)式中:Ψm 为气隙磁链的幅值,Ψ2α、Ψ2β为转子磁链的瞬时值,即待测量.直接磁通观测就是在电机外部根据感应电机的等效电路参数构造一个相似模型,实现对Ψ・2更为直接的观测.1.2　直接磁通观测方案的主要组成部分气隙磁链变换器:在异步机定子中增加两个对称测量绕组,分别称为绕组α1、β1,等效匝数都为N ′1,绕组α1与绕组U 同轴线,绕组β1与绕组α1正交,绕组漏电感为l 1,绕组电阻为r 1.转子磁链变换器:与被控异步电动机同轴的两相对称感应电机,其定子绕组分别为α2、β2,其定子侧绕组电阻为r 31、漏电感为l 31、激磁电感为l 3m 、转子侧绕组电阻为r 32、漏电感为l 32.以上两部件通过外串电感l t 相连,连接关系如图4所示.而所构成的α、β两相等效电路如图5所示(这里只画了α相等效电路,省略了β相等效电路).设计中,若使等效电路参数满足ω1l 3m 远大于ω1l t 、r 32/S 和ω1l t 、r 32/S 远大于各绕组电阻和漏电抗,则可得如图6所示的α、β相的简化等效电路.图4　磁链观测器的电路连接图图5　磁链观测器α相等效电路图 设:α1绕组中的磁链、感应电动势瞬时值分别为Ψ3m α、e 31α;β1绕组中的磁链、感应电动势瞬时值分・02・海　军　工　程　大　学　学　报 第14卷　图6　α、β相的简化等效电路别为Ψ3m β、e 31β;α2绕组中的磁链、感应电动势瞬时值分别为Ψ32α、e 32α;β2绕组中的磁链、感应电动势瞬时值分别为Ψ32β、e 32β;ω1t 为合成磁动势F →m 转过U (或α)轴的电角度.不计铁耗时,在时空坐标系中,Ψ・m 、Ψ・3m 、F m 应同相位,因此有:Ψ31α=Ψ3m cos ω1t(11)Ψ31β=Ψ3m sin ω1t (12)e 31α=p Ψ31α=-ω1Ψ31β(13)e 31β=p Ψ31β=ω1Ψ31α(14) 比较观测器简化等效电路(见图6)与异步电动机的α、β等效电路(见图3),不难发现若选择ω1l t ,使r 32ω1l t =R 32ω1L ′2,则有e 32αe 2α=e 31αe 1α及e 32βe 2β=e 31βe 1β,进而有e 32α=N ′1N 1e 2α=-ω1N ′1N 1Ψ2β及e 32β=N ′1N 1e 2β=ω1N ′1N 1Ψ2α或Ψ2α=N 1ω1N ′1e 32β(15)Ψ2β=-N1ω1N ′1e 32α(16)(15)、(16)式中,e 32α、e 32β可以直接测量,因此根据(5)～(7)式可以实时地、直接地得到Ψ・2.此外,通过对电感l t 、电压u t 的测量,由关系e 32αu t=r 32/S ω1l t 还可以得到速度的观测值:S =r 32u tω1l t e 2α(17)2　结　论本文从实用、可靠的观点出发,提出上述磁链观测模型,该模型避开了复杂的数字处理过程以及由于初始值确定和误差积累引起的积分漂移和运算速度对实时性的影响.模型中的气隙磁通观测器实质上是两个小容量线圈,将其放置在定子中,无论在技术上还是在工艺上都很容易实现,并且不会对电机运行性能造成影响.转子磁链观测器实质上是一个微型二相电机,在设计时应使其具有大的激磁阻抗和转子电阻.参考文献:[1]　陈伯时,陈敏逊.交流调速系统[M ].北京:机械工业出版社,1999.[2]　陈　坚.交流电机数学模型及调速系统[M ].北京:国防工业出版社,1985.[3]　陈　甫.一种无测速定子磁连观测器的研究[J ].电工技术学报,2001,16(1):64-67.[4]　Verghese G C ,Sanders S R.Observers for flux estimation in induction machines [J ].IEEE Trans.on Industrial Elec 2tronics ,1988,35(1):85-94.(下转第30页)・12・　第5期　王铁军等:异步电机矢量控制中转子磁链的直接观测方法 位置无法安装传感器的问题,且实现方法并不复杂,为故障检测领域开阔思路,具有实用前景.参考文献:[1]　虞和济.基于神经网络的智能诊断[M ].北京:冶金工业出版社,2000.[2]　楼顺天.基于MA TLAB 的系统分析与设计———模糊系统[M ].西安:西安电子科技大学出版社,1998.[3]　从　爽.神经网络、模糊系统及其在运动控制中的应用[M ].安徽:中国科学技术大学出版社,1999.F ault diagnosis of naval gun based on f uzzy inferenceTIAN Fu 2qing ,WEI J un 2hui ,ZHOU Sheng(Dept.of Weaponry Eng.,Naval Univ.of Engineering ,Wuhan 430033,China )Abstract :According to the voice signal of naval gun system ,the fault diagnosis measures of this system are put forward based on the fuzzy inference and fuzzy 2neural net theories.The method of signal acquisition and fault diagnosis algorithms are introduced in detail.K ey w ords :fuzzy inference ;neural net ;fault diagnosis ;naval gun system(上接第21页)A direct method of observing rotor flux linkage in vector control of induction motorWAN G Tie 2jun ,SHAN Chao 2long ,ZHAO Jing 2hong ,ZHAN G J un 2hong (Dept.of Electrical Eng.,Naval Univ.of Engineering ,Wuhan 430033,China )Abstract :A method of constructing physical observer of rotor flux linkage ,generally used in vector control system of induction motor ,is presented by comparing to equivalent circuit of induction motor.It is proved that if the parameters of the observer are properly chosen ,the value and position of rotor ′s flux linkage can be obtained directly outside of the motor.This method has advantage of real 2time and could avoid complex digital calculation.K ey w ords :induction motor ;vector control ;flux linkage observation・03・海　军　工　程　大　学　学　报 第14卷　。