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磁链观测方案.docx

上传人:碎碎念的折木 2023/1/29 文件大小:195 KB

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磁链观测方案.docx

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一,概述
三相异步电机具有构造简洁,结实,修理便利,价格廉价等特点,目前在工业领域中得到广泛应用。早期的变频调速承受变压变频〔VVVF〕速度开环的方式,基频以下为恒压频比掌握,在低速时,提高电压以补偿定子阻抗压降。这种调速方法的掌握构造简洁,本钱低,适用于风机等对调速系统动态特性要求不高的场合,但是对于动态和静态性能要求高的场合,这种开环系统就无法供给足够的保障。
“感应电机磁场定向掌握原理(Fieldorientation)”,即矢量掌握技术,使沟通传动的转矩静动态特性取得质的改善,完全可与直流调速系统相媲美。“感应电机定子电压的坐标变换掌握”原理。经过不断的实践和改进,形成了现已得到普遍应用的矢量掌握变频调速技术。矢量掌握通过引入坐标变换,把简单的异步电机等效为简洁的模型,在保证磁场准确定向的状况下,可以实现励磁电流和转矩电流的解耦,使得沟通电机的转矩掌握性能可以与直流电机相比较,这无疑是沟通传动掌握理论上的一个质的飞跃。
转子磁场的定向掌握就是在将旋转坐标系放在同步旋转磁场上,将电机的转子磁通作为旋转坐标系的直轴。假设无视由反电动势引起的穿插耦合,检测出定子电流的直轴重量,就可以观测转子磁通幅值,但转子磁通恒定电磁转矩与定子电流的交轴重量成正比,通过掌握定子电流的交轴重量就实现对电磁转矩的掌握,此时称定子电流的直轴重量为励磁重量,定子电交轴重量为转矩重量。可由电压方程的直轴重量掌握转子磁通,交轴重量掌握转矩从而实现磁通和转矩的解耦掌握。转子磁场定向的最大的优点是到达了完全解耦,无需增加解耦器,掌握方式简洁,具有良好的动态性能和掌握精度。
在异步电机矢量掌握中,要实现准确的解耦,必需要知道转子磁链准确的相位角。而在直接矢量掌握中,为了实现磁链的反响掌握,还要知道转子磁链准确的幅值。通过异步电机定子侧电压、电流,以及转子转速等电机运行参数,通过实时计算得到转子磁链的准确位置和大小,这种技术就是磁链观测器,在矢量掌握中,常用的转子磁链观测器有电压模型和电流模型两种。以及基于这两种模型的假设干种改进的算法。本文将论述磁链观测器的实现方法以及优缺点比较。
同时在高性能的异步电机矢量掌握系统中,转速信息的猎取是必不行少的。电机速度信息的辨识方法,分为直接法和间接法。直接法就是通过电子式或机电式速度传感器,如霍尔效应器件(HALL)、光学编码器、旋转变压器等,以及处理电路、处理软件等来猎取电机速度信息。间接法就是通过测量电机的定子电流、定子电压等信号,依据电机的模型间接估量辨识电机的转速信息。然而由于速度传感器的安装给系统带来了一些缺陷。同时在一些应用场合并不能安装测速原件,而在感应电机速度闭环掌握中需要电机转速信息,一些矢量掌握策略中也需要知道电机转速。在理论上通过感应电机的电压和电流可以实时计算出电机的转速的理论,从而可以不需要速度传感器实现磁场定向掌握和速度闭环掌握,即无速度传感器掌握。从高精度及可有用化的角度动身,闭环的转速估算方法中的PI自适应掌握器法和模型参考自适应系统法〔MRAS〕法较简洁实现。本文将着重对各种MRAS方法的转速辨识进展比较。
电机的参数辨识主要包括电机起动前的离线辨识和在线辨识两个方面,前者是指在掌握系统设计初期,通过一系列的试验得到需要得到异步电动机的定、转子电阻,定、转子之间的互感,定、转子漏感,转动惯量等参数。在异步电机矢量掌握中,定子电阻和转子时间常数〔主要是转子电阻〕等电机参数是磁链观测和转速辨识的依据。,因此电机参数的在线动态辨识尤为重要,假设不准时补偿,会带来估量误差并进而使得系统性能恶化。本文将论述,如何辨识转子电阻以
提高磁链观测的精度。
本文将针对空间矢量PWM中死区效应对输出电压的影响的根底上,提出了一种死区补偿策略,将三相电流分成六个区域,并在每个区域只对其中一相输出电压进展补偿。通过推断输出电压矢量的角度来猎取三相电流的方向,避开了电流检测中消灭多个零点的现象。
本文将通过比较实现矢量掌握的各个环节。二,磁链观测器
1,电压电流模型的磁链观测器
由电机模型在定子静止两相坐标系下的方程,可以推出:
éY ù Léuù LéR+sLp
0 ùéiù
pê raú= rêsaú-rês s
úêsaú
ëYbû Lëubû Lë
0 R+sLpûëibû
r m s m
s s s
其中,R,L分别为定子电阻和定子电感;L ,L分别为定转子互感和转子自感;
s (s ) m r
s=1-L2 LL
m r s
为漏感系数,p为微分算子。
此方法的磁链观测器实际上就是对反电势的纯积分。其优点是算法简洁,算法中不含转
子电阻,不需转速信息等。
通过上面的公式可以搭建一个磁链观测器模型,从式子中可以看出这个模型的观测器受定子电阻影响较大,为了便于比较,,。仿真时,转速给定为0-,转速从0增加20pi,
,保持20pi,2到3秒降低到10pi。其中黑色为辨识的磁链,紫色为实际的磁链。
,实际磁链和辨识磁链比较波形

从图中可以看出,由于纯积分和定子电阻的影响,使得这种模型观测的磁链波形在定子电阻发生变化时,估算值严峻偏离实际值,并且产生了直流偏置。而实际应用中,定子电阻,转子电阻以及转子电感都是变化的。电机运行在高、中速区时,假设视定子电阻为常数或将其忽略,观测结果仍旧具有较高的精度。但是低速时由于定子电阻压降作用明显,观测精度降低,
另外由于纯积分环节的误差积存和漂移问题严峻,使系统不稳定,因此电压模型法只能在中高速范围内。同时应用积分初始时刻不当,造成输出信号的恒定直流偏移。输入信号本身存在的直流偏移量,将最终导致输出信号的饱和漂移。种种缘由限制了直接用电压电流模型进展磁链观测在实际系统中的应用。
2,用低通滤波代替纯积分的电压电流模型法
针对电压电流模型的纯积分影响,有人提出了改进的方法,用一阶低通滤波代替纯积分器。
éY ù
1 æLéu
ù LéR
+sLp
0 ùéi ùö
ê raú=
çrê
saú- rês s
úêsaú÷
ëYbû
s+TèL
ëubû L ë
0 R+sLpûëibûø
r c m s m s s s
由上面的方程建立的磁链观测器,虽然可以有效消退积分初始值引起的输出误差,但是对于输入直流偏置,却无能为力。且滤波器的引入又产生的幅值和相角误差。本文将在本节给出波形。由于一阶低通滤波器的固有缺陷导致在实际的异步电机的矢量掌握系统中也不会直接使用这种方法观测磁链。有人基于这种方法由提出了,一种改进的电压电流模型,观测磁链。
3,改进的电压电流模型
针对上面的参加了低通滤波的u-i模型的磁链观测器存在的缺陷,人们又提出了用滞后环节代替反电势的纯积分项,并且引入转子磁链参考值,其中令滞后环节的时间常数等于
转子时常T
r
,还可以减弱定子电阻的变化引起的偏差。将低通滤波器串联高通滤波器,并
将它们的截止频率设为反电势频率的固定倍数,利用时间相量分析,得到补偿公式,改善积分初值误差问题从而得到改进的电压型转子磁链估算方程:
T 1 *
Y = r e+ Y
r 1+Tp 1+Tp r
r r
其中T
r
=LR
r r
。为了便于比较,我们对上面仅参加一阶低通滤波环节的磁链观测模型,
在取一样时间常数的状况下进展了比较,其中紫色为实际磁链,黑色为改进的u-i模型观测的磁链,蓝色为上节中的模型观测的磁链。仿真时,转速给定为0-,转速从0增加20pi,,,2到3秒上升到10pi。具体波形如下:
图3两种磁链观测模型的比较
图中,紫色为实际的磁链,蓝色为上节的方法观测的磁链,黑色为本节中改进的u-i模型模型观测的磁链。从图中可以看出,上节介绍的观测器明显存在着幅值和相位误差,而改进
的u-i模型由于引入了状态校正项,辨识的磁链精度将明显优于上节中的模型观测的磁链。虽然这种改进的u-i模型磁链观测器,改善了纯积分带来的影响,但是模型固有的缺
陷,使得它对于定子电阻缺乏鲁棒性。下面分别给出,,,仿真参数同上:
,改进的电压模型观测的磁链与实际磁链比较
,改进的电压模型观测的磁链和实际磁链的比较从图4,图5可以看出,由于用滞后环节代替了纯积分环节,改进u-i模型磁链观测器对定子电阻表现出一些鲁棒性,但是影响并未完全消退。与前面两节介绍的u-i模型观测器,改善不少。并且这种方法观测磁链,并未用到转速量,在无速度传感器的FOC掌握中,不失为一种有效的磁链观测方法。假设再能辅以定子电阻观测,这种方法的精度,可以近一步提高。
4,基于坐标变换的u-i模型的积分器
有人针对以上一系列u-i模型存在的种种弊端,又提出了这种基于坐标变换的u-i模型的积分器。构造如下:
图6基于坐标变换的u-i模型的构造
从图中可以看出,电路的反响环节经受了直角坐标系到极坐标系的变换及其反变换,并且对磁链的幅值进展限幅,幅角维持不变,可有效避开了积分输出的波形畸变。
本文搭建了仿真模型进展了仿真争论,仿真时磁链给定为1,转速给定为0-,0-20pirad/s,-2pirad/s,2s到3s维持2pi不变,为了便于比较,,波形如下:


从上面两图可以看出,带饱和反响环节的积分器在两个周期内就能跟踪了实际输出值〔具体的时间与截至频率有关〕,完全消退了低通滤波器引起幅值误差,并抵消了一局部相位误差。但是在定子电阻变小,且转速较低时的性能不尽如人意。性能仍旧不及改进的电压模型法。且这种观测器算法比较简单,再加上辨识精度不高,且仍受定子参数影响。故实际应用中极少承受。
5,电流转速模型的磁链观测器
由电机在定子静止两相坐标系下的模型,可推出,另一个根本方程:
éYù é-1T
-wùéY
ù Léiù
pê raú=ê r
rúê
raú+mêsaú
ëYbû ëw
-1TûëYbû T
ëibû
r r r r r s
其中wr为转子转速,由上面的方程,可以得到i-w模型的磁链观测器。
基于上面式子的i-w模型的磁链观测器,构造格外简洁,并且不含纯积分环节,与定子电阻无关。但是估算时需要用到转速量,且估算精度受转子时间常数影响很大,而转子时
常是一个很不稳定的系数,随转子温度的变化而变化,尤其当转子频率变化时,由于集肤效应的影响,转子电感和转子电阻的变化朝不同的方向变化。例如,感应电机启动时转子频率较高,转子受集肤效应影响电阻增大而电感变小,因此转子时常较小;感应电机正常运行时转子频率较低,转子电阻为正常值较小而电感却较大,因此转子时常更大。为了作出比较,这里转变转子电阻进展仿真。
仿真时,转速给定为0-,转速从0增加20pi,,保持20pi,2到3秒上升到4pi。,定子静止坐标系下a轴方向磁链波形:


从上面两图可以看出,当转子电阻发生变化时,i-w模型的磁链观测器,在转子电阻发生转变时,表现出一些误差,但是并不显著。究其缘由就是模型中不含纯积分环节,不存在积分漂移等现象,因此不会由于转子电阻的变化,而产生累计误差。由于模型本身实际就
是一阶低通滤波环节,因此不存在像u-i模型中,硬引入一阶低通滤波而引起的相位漂移和幅值减弱得现象。从波形上看,其性能可以与改进的u-i模型相媲美。6,电压电流转速综合法设计转子磁链观测器
针对u-i模型和i-w模型的磁链观测器各自的优缺点,有人提出了利用两种模型的各
自的优点建立综合模型,可减小观测误差,提高磁链观测器的观测精度。可考虑对两种模型观测结果分别用低通与高通滤波器滤波后综合的方法实现:
éY ù T
s éY
ù 1 éY ù
c
iw
êYraú=
 c êYra
ú + êYraú
c
ui
ë rbû T
s+1ë rbû
Ts+1ë rbû
其中:高通与低通滤波器承受一样的时间常数T
c
,是为了u-i模型和i-w模型的磁链观测
器以一样的转折频率光滑过度。在实际应用中,应依据具体状况,确定T
c
的值。本文中取T
c
,,,进展仿真比较。仿真时转速给定为0--20pi线性给定,-2s内为20pi-2pi线性给定,之后维持2pi不变。为了便于比较,这里将i-w模型的磁链观测器观测的波形放到一个示波器中。波形如下:


从上面两图可以看出,这种u-w模型的观测器,对参数的鲁棒性并没有得到任何改善,并且在低速段观测的磁链甚至敢不上i-w模型观测的磁链。这可能与所选择的转折频率有肯定的关系。在实际应用中,这种转折频率的选取需要大量的试验才能确定。并且这种模型比较简单,对参数也比较敏感。很少应用于实际的掌握系统中。
7,基于转子磁场定向的电流模型观测磁链
转子磁场定向模型中转子磁链由定子电流励磁重量经过一阶惯性环节得到,转差角速度可以由转子磁链与定子电流的转矩重量计算得到,但是定子电流的励磁重量与转矩重量必需由定子三相电流经过转子定向磁场相位角的矢量变换得到,为此需要确定转子定向磁场的位置角。由于对定向磁场转速的积分就是其位置角,而定向磁场的转速等于转子转速与转差角速度之和,所以可以承受如下关系观测转子磁链:
L
Y = m i
rM 1+Tp sMr
L
w = m i
s TY sTr rM
q =òt(w+w)dt
Ms 0 r s
其中转子磁链位置角的初始值设为0,这是由于初始状态时转子静止不动,而且确定电压源逆变器的初始开关状态时使得定子绕组A相加正电压,B相和C相都加负电压,这样产生的电流与磁场都与定子A相绕组轴线重合。
在实际应用中,一般都承受转子磁场定向的矢量掌握,而观测定子静止两相坐标系上的转子磁链的作用就是计算转子磁链的位置角,以实现转子磁场定向。那么这里我们只需要知道转子磁链的角度即可,有了转子磁链的角度就可以进展电流解耦了,然后励磁电流重量就可以与磁链发生器给出的磁链进展励磁掌握了。因此这种方法格外适合于转子磁场定向矢量掌握中磁链的观测。且方法格外简洁,可行。是目前普遍承受的观测方法。
在实际应用中,Y 可以用磁链发生器产生的常数代替,这可以使得公式进一步简化。
rM
实际就用到上面三式中的下面两个。由上面的方程可以看出,这种方法主要受转子时常的影响,为了便于比较,,这种磁链观测模型得到的磁链角的正弦值波形与实际的磁链角正弦值波形的比较:
图12 ,辨识的磁链角度正弦值与实际的比较
图13 ,辨识的磁链角度正弦值与实际的比较
由于转变了R
r
,相当于转变了转子时常,会对辨识的精度造成一些影响。但是与传统的u-i
模型,以及改进的u-i模型相比,无论是在辨识算法还是辨识精度上都具有较大优势。再
与传统的i-w模型相比,由于这是一种模型的两种表现形式,因此精度上并未有多大变化,但是算法上简化不少。种种缘由使得这种方法在众多方法中脱颖而出,成为目前最为流行的磁链观测器模型。在实际系统中,我们可以通过在线辨识转子电阻或者转子时常来进一步提高,这种算法的精度。
8,闭环的磁链观测器
上面介绍了几种磁链观测器,都是基于开环的观测器。这里再介绍一下,闭环的磁链观测器模型,包括,扩展的Kalman滤波法,全阶的磁链观测器模型等等。全部的闭环观测器都是基于根本的u-i模型,i-w模型公式的推导:
é-R 1-s
 L Lw ù
ês s-s
0 s m sm r ú
0 ú
ê L T
r
LLT LL ú
s
r
r
é 1 ù
s
éi ù ê
-R 1-s Lw
s r
L úéi
ù êsL
êsaú ê 0
s- - m r

m úê
saú ê s ú
êibú ê
sL sT
sLL
sLLT
úêibú ê
s
1 úéu ù
s
a
pês ú=ê
s r s r
s rr + 0
ú ê
s úêsú
Y L
ê raú ê m
0 -1
úY
ê
ê
-w úê raú
Lúëusbû
êëY
úû ê T
T r úêëY úû ê 0 0 ú
rb r
0
ê
ê
ë
b
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0
r ê
ë
0
ú
û
L -1 ú
û
m ú
T r T
r r
éi ù
êsaú
éiaù=é1 0 0 0ùêibú
ês ú ê úês ú
ú
ëisbû ë0 1 0 0ûêY
êëY
raúrbû
无论是EKF,还是全阶的磁链观测器模型都是基于上面的式子。有上面的式子构成的EKF和全阶磁链观测器算法,将会格外简单。并且这些方法虽然参加校正环节,提高了一些精度,但是模型中都含有大量的电机参数。电机参数的转变都或多或少的对这些观测器产生影响。从有用化,可实现性角度动身,这些闭环的磁链观测器就失去了它们原有的荣耀。因此,本系统中并不考虑使用这些简单的磁链观测器。
综上所述:觉察基于闭环的磁链观测器,包括降阶或者全阶,EKF滤波器法,神经网络法等等的磁链观测器虽然由于引入闭环,使得磁链观测精度提高。但是简单的算法格外不利于用MCU实现。且这些方法观测的磁链,也并不是毫无缺陷。它们有些模型对参数敏感,有些模型对噪音敏感,也限制了它们的进展。因此本案,不考虑用这些方法观测磁链。
可以有用化的观测器,这里都进展了仿真争论。从观测精度要求动身根本的u-i模型,
是最差的一种,本案不考虑用这种方法。然后针对根本的u-i模型的几种改进方法中,又以直接用一阶低通滤波代替纯积分的方法最差,本案也不考虑这种方法。其它两种u-i模型的改进方法中,本章第三节中的改进的u-i模型法在辨识精度上要优于本章第四节所提到的方法,且算法也比较简洁。因此本章中第三节所介绍的改进的u-i模型法,是可以考
虑的磁链观测方法。
磁链观测的另一个根本方法是i-w模型。这种模型构造简洁,没有纯积分环节。较之u-i模型的磁链观测器有较大优势。电流模型转子磁链观测器中所使用的输入信号包含转子时间常数,这一参数具有显著的时变特性。当电机运行引起转子温度上升或磁路饱和时转子时间常数的变化范围会较大,常需要对其进展实时辨识才能保证转子磁链观测的精度,但电流模型中不涉及纯积分环节,所以其观测值是渐进收敛的。低速时电流模型的性能优于电压模型,而高速时电压模型的性能优于电流模型。因此本文,也对这两种模型的结合进展了
仿真争论。在仿真时觉察,如何选取两个模型的切换点,会直接影响磁链估算的精度。而两种模型切换的频率的选取需要经过大量的试验才能确定,这无疑又要增加调试时的难度。且综合了这两种模型的观测器算法较之其它可实现的算法又会简单不少。并且仿真时觉察,这种模型仍旧对参数敏感。因此本案中也不考虑用这种方法。
在本章的第七节,对转子磁场定向下的电流模型也进展了仿真争论。转子磁场定向是目前普遍承受的FOC掌握方法,由于只有在转子磁场定向下,电流才可实现完全的解耦。在转子磁场定向的状况下,这种电流模型算法将变得格外的简洁,可行。从可实现性上来说,这无疑是最具诱惑力的。从仿真波形看,,这种方法的辨识精度也足够高,优于改进的u i模型法。假设再通过其它环节在线辨识转子电阻,或者转子时常,将进一步提高这种模型的磁链观测精度。
综合考虑各种因素,认为基于转子磁场定向的电流模型法为本案磁链观测的首选方案。改进的电压电流模型法为备选方案。