一种感应电机定子磁场定向解耦控制方法

r / Rr ，" = l -
2 m
/
s
r ，可得以
下公式［7］：
{（l + STr ）!s =（l + "STr ） s ds - "Tr # s gs si
（l + "STr ） s gs = T（r !s -" s ds ）#si
（l）
其中 !，，R 分别表示电机磁链、电流和电阻，下标 s
和 r 表示定子和转子，d 和 g 表示两相旋转坐标系中
更大. 因此，提出一种新的改进型积分器算法（ 如图
2 所示），其输出表达式为
y = l x + #c z S + #c S + #c
（5）
图 2 改进型积分算法 Fig. 2 Improved integration aigorithm
其中 x 为积分器的输入，z 为补偿信号，y 为积分 器输出（由前馈量 yl 和反馈量 y2 构成）. 当补偿信号 为零时（z = O），此积分器本质上即是用一阶低通滤 波器代替的纯积分器；当补偿信号等于积分器的输出 时（z = y），此改进型积分器成为一个纯积分器.
收稿日期：2006 - 06 - 08 基金项目：江苏省自然科学基金资助项目（ BK2003049）；教育部博士点基金资助项目（20050299009） 作者简介：刘国海（1964 - ），男，江苏高邮人，教授，博士生导师（ ghiiu@ ujs. edu. cn），主要从事运动控制、神经网络控制的研究.
的两个垂直分量，s，r，m 分别为定子电感、转子电 感和互感，#si 表示转差角频率，S 为积分因子. 上式 表明，定子磁链 !s 是关于 d 轴电流 ds 和定子 g 轴电 流 gs 的函数，即定子电流转矩分量与磁链分量之间 存在耦合，这就意味着改变定子电流转矩分量 gs， 同时影响定子磁链. 因此，采用前馈控制的方法消除
dSPACE piatform
矢量控制在现代交流调速系统中运用非常广 泛，传统的矢量控制采用转子磁场定向的方法，实现 定子电流的励磁分量与转矩分量的动态解耦［1］，但 由于转子磁链的计算受到电机参数，特别是受易于 变化的转子电阻的影响，因此系统鲁棒性较差. 另一 方面，在定子磁场定向矢量控制［2，3］中，因其磁链估 计精度只受定子电阻参数的影响，受到越来越多的
表 1 电机参数 Tab. 1 Parameters of motor
额定功率 PN / kW
l. l
额定电压 VN / V 380 / 220
额定转速 !rN （/ r / min） l 400
重视，许多学者围绕这一问题进行了研究，取得了一 些成果. 但是这些定子磁场定向控制方案中定子磁 链与转速间存在严重的耦合现象. 针对这一问题，笔 者在对定子磁链的产生进行理论分析的基础上，根 据国内外 对 感 应 电 机 的 解 耦 研 究［4，5］，利 用 定 子 电 流励磁分量进行解耦补偿，实现定子磁链与转速的 解耦控制.
Abstract：The accuracy of fiux vector estimation is affected by the rotor parameters in rotor fiux orientated controi. The aigorithm has the disadvantage of sensitivity to the rotor parameters. To soive these probiems，a controi strategy of induction motors with stator fiux orientation is proposed. According to the dynamic modei of induction motors，stator fiux and rotor speed are controiied respectiveiy. The main improvement is that the stator fiux and rotor speed are decoupied dynamicaiiy. In addition，a new integration is proposed. A modified integrator based on the proposed aigorithm is deveioped to soive probiems associated with the pure integrator. Finaiiy，the performance of the controi scheme is verified on the dSPACE piatform. According to the resuit of the experiment，decoupiing controi of the scheme is achieved. The dynamic and static resuits are satisfactory. Key words：induction motor；stator fiux orientation controi；decoupiing controi；stator fiux observer；
最后，在基于 Matiab / Simuiink 的控制系统开发 及测试系统的 dSPACE 工作平台上，进行半物理实 时仿真试验，验证所提出方法的有效性.
（l + STr ）!s = ［s （l + "STr ）G（ !＊s - !s）+
（l + "STr ）dg - "Tr gs #si ］（ 3 ）
（ 江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013）
摘要：针对感应电机按转子磁场定向控制，系统受电机转子参数变化影响较大的问题，采用定子磁 场定向控制，以定子磁链作为反馈量，克服矢量控制系统对转子参数的直接依赖性，同时运用电流 励磁分量解耦补偿环节，实现了定子磁场定向控制下电机转速与定子磁链间的解耦控制. 并针对定 子磁链估计算法中存在的纯积分问题，提出了一种改进型积分算法予以解决. 最后在 dSPACE 实时 仿真试验平台上，对所提出的控制方法进行了试验验证，试验结果和分析证明了所提出控制算法的 有效性，系统动静态性能良好，实现了转速与定子磁链的解耦控制. 关键词：感应电机；定子磁场定向控制；解耦控制；定子磁链观测；dSPACE 试验平台 中图分类号：TM921. 2 文献标识码：A 文章编号：1671 - 7775（2006）06 - 0532 - 04
第 27 卷 第 6 期 2006 年 11 月
江 苏 大 学 学 报（ 自 然 科 学 版） Journai of Jiangsu Universit（y Naturai Science Edition）
Voi. 27 No. 6 Nov. 2006
一种感应电机定子磁场定向解耦控制方法
刘国海，卢家力，张 浩
aigorithm
2 dSPACE 实现
将所提出的控制方案和积分算法，在 dSPACE 实时仿真系统试验平台上，进行半物理实时仿真试 验. 试验硬件采用 dSPACE 公司的开发系统 DSll03 PPC 控制器板. 试验以功率为 l. l kW 的交流鼠笼 式感应电机为控制对象（ 电机型号为 Y90s - 4 - X2 / W，参数如表 l 所示），运用所提出的按定子磁场定 向的解耦控制方法，由 dSPACE 的 DSP 从处理器产 生的 SVPWM 方式逆变器开关信号，驱动 IPM 智能 功率模块功率，输出规定频率和幅值的电压，驱动感 应电机运行［9］.
启动过程的转速、磁链响应波形. 为了检验系统的解 耦效果，分别进行了转速给定突变，磁链给定突变情 况下的解耦试验，所得转速、磁链响应波形如图 5 所示.
最后，以周期为 l0 s，幅值为 25 rad / s 的三角波 为转速给定信号，检验系统的速度跟踪性能，所得响 应波形如图 6 所示.
图 3 基于改进型积分算法定子磁链观测器 Fig. 3 Stator fiux observer based on improved integration
令（l + "STr ）dg - "Tr #si gs = O，代入到式（l）第二
行，化简得
dg
=
"2 s gs
!s - " s ds
（4）
依据式（4）确定的定子磁链 !s、定子 d 轴电流
gs、定子 g 轴电流 ds 与解耦补偿信号 dg 间的函数关
系设计解耦补偿，即可获得转速与磁链的解耦特性.
!" 电机定子磁场定向解耦控制模型
卢家力（1982 - ），男，江苏南京人，硕士研究生（ iuke2164@ 163. com），主要从事运动控制的研究.
第6 期
刘国海等：一种感应电机定子磁场定向解耦控制方法
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此外，针对定子磁链观测模型中纯积分环节所 存在的初值、直流漂移等问题，常见的解决方法是采 用一阶低通滤波代替纯积分［6］，但是滤波器的引入 会导致所观测磁链的相位超前和幅值偏小. 理论上， 所设计的滤波器截止频率越小，所得幅值和相位的 误差就越小，但在实际系统中，当截止频率小于同步 频率时，系统的直流偏置衰减很慢，且系统在高速运 行时的稳定性也受到很大影响. 因此笔者提出一种 将低通滤波的测量值作为反馈量，对定子磁链观测 值进行幅值与相位补偿的方法，以提高定子磁链估 计的精确度.
!# !" 解耦算法原理 感应电机系统中，由于定子绕组没有中线，且电
机对象的转子为鼠笼式绕组，因此转子端电压为零，
又因为在两相同步旋转 d - g 坐标系下的定子磁场
定向控制中，取 d 轴方向和定子磁场方向一致，因此
!gs = O，!ds = !s. 根据感应电机磁场定向矢量控制
的数学模型，令 Tr =
这种耦合效应，即可获得具有解耦特性的定子磁场
定向矢量控制，所采用的感应电机按定子磁场Hale Waihona Puke Baidu向
解耦控制的结构原理见图l. 图 l 虚线框中的解耦补
偿信号 dg 叠加磁链控制器 G 的输出，产生磁链指令
信号
＊ dg
，即
＊ dg
= G（ !＊s - !s）+
dg
（2）
将式（2）代入到式（l）中第一行，可得
图 l 感应电机定子磁场定向控制系统的结构原理图 Fig. l Principie of diagram of induction motor system with
A stator flux orientated decoupling control of induction motors
LIU Guo-hai，LU Jia-li，ZHANG Hao
（ Schooi of Eiectricai and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）
这种改进型积分算法的关键在于如何确定补偿 信号 z 的限幅值 L，使其可以在变磁链环境中使用. 为了消除输出的直流分量，又不使磁链波形失真，限 幅值应当设为实际磁链幅值［8］. 考虑到算法实现中 给定磁链容易获得且比较稳定，试验中以定子磁链 的给定值作为限幅器的限幅值，限幅器和两个坐标 变换器共同构成了补偿信号发生器，如图 3 所示.
stator fiux orientation
!# $" 定子磁链观测器设计
为了获得定子磁链，需对反电动势 emf = Us -
Rs s 进行积分. 然而在磁链估计中，引入纯积分器将 带来直流偏置和初始值的问题，通常用低通滤波器
代替纯积分器予以解决，但这会使磁链的幅值和相
角计算出现误差，尤其在电机运行频率较低时，误差
电机同步转速远高于改进型积分器的截止频率 #c，反馈增益近似于零，反馈量 y2 很小，积分器输出 基本由前馈量 yl 组成；电机同步转速低于积分器的
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江 苏 大 学 学 报（ 自 然 科 学 版）
第 27 卷
截止频率 !c，模块中的反馈量在消除直流分量和防 止饱和方面仍起很大作用. 因此，该改进型的积分器 与一阶低通滤波器相比减小了幅值与相角的误差， 并且避免了纯积分带来的初值与直流漂移问题，具 有更好的性能. 但由于限幅值 L 是固定的，所以这种 方法不能在变磁链的环境中使用.