一种感应电机定子磁场定向解耦控制方法

感应电机定子磁链与转速的神经网络逆解耦方法王新戴先中东南大学摘要：为了提高感应电机的抗参数变化及负载扰动能力，提出了一种新的电流控制型感应电机神经网络逆控制结构。

神经网络逆系统实现了感应电机系统定子磁链和转速的自适应解耦及线性化，将感应电机解耦线性化为定子磁链和转速两个一阶积分环节的子系统，子系统不含有感应电机参数，从而简化了外环控制器设计，提高了整个控制系统性能。

最后，对由电流滞环控制器，逆变器及三相静止坐标系下感应电机模型组成的系统进行仿真研究，与定子磁场定向的仿真对比结果表明该控制结构性能有更强的鲁棒性。

关键词：定子磁链神经网络逆系统自适应解耦及线性化感应电机鲁棒性ANN Inverse Decouple Method of Induction Motor Controlling Stator Flux and SpeedWang Xin Dai XianzhongAbstract：In this paper, a new ANN inverse control structure of current-fed induction motor is proposed to improve the ability of objecting parameters variation and load disturbance. T he designed ANN inverse system can implement the adaptive decoupling between the stator flux and speed and linearization of induction motor, the induction motor was decoupled to two 1st order integrators subsystems which do not include motor parameters, which make the design of outer loop controller easy and further improve whole system performance. At last, taking the system consisting of current hysteresis controller, invert er and induction motor model in three phases stationary reference frame as controlled plant, the study of simulation is done. The comparison simulation result to SFOC shows that the control method is more robust.Keywords：stator flux ANN inverse system adaptive decoupling and linearization induction motor robustness49501 引言感应电机以其结构简单、可靠性高及维护费用低等优点在工业上得到了广泛应用，但理论上来讲，感应电机系统是一个非线性、多变量、强耦合及时变系统，对它进行高性能控制十分具有挑战性。

文章编号：!"""#!$"%（&""’）"&#""$(#"(感应电机矢量控制解耦算法的研究沈滢，郝荣泰（北方交通大学电气工程学院，北京!"""((）摘要：给出一种新的用于转子磁场直接定向矢量控制系统的解耦电压计算方法，通过计算机仿真分析和实验，对其转矩响应能力等控制性能进行研究并给出结论，仿真采用)*+,*-%.!软件.关键词：矢量控制；解耦；)*+,*-中图分类号：/)’"!.&文献标识码：0!"#"$%&’()*"&(+,-.)/0&’"1"#2#"3.)4."-35%.")6"37()6%(-8(%9)3+&6.():(6(%#!"#$%&’(，")*+,’(-./&（12344,456,72+892*,6:;9:7789:;，<48+378:=9*4+4:;>:9?78@9+A ，B 79C 9:;!"""((，D 39:*）;<#6%$&6：0:7EF 724G H ,9:;@237I 7548597,F 4897:+7F 24:+84,9@F 9@2G @@7F 9:+39@H *H 78，+3724:+84,H 78548I *:2745+37@237I 7542G @7F 4:+48J G 787@H 4:@7*-9,9+A *:F 4+378@9@@+G F 97F-4+3+384G ;324I H G +78@9I G ,*+94:*:F 7K H 789I 7:+@./37@9I G ,*+94:@45+E *87G @7F 9:+39@H *H789@)*+,*-%.!.=">?(%3#：597,F 4897:+7F 24:+84,；F 724G H ,9:;；)*+,*-@问题的提出矢量控制技术通过磁场定向将电机定子电流分解为转矩分量和励磁分量，电压解耦型矢量控制依据定子电压方程计算电机控制所需要的电压信号，为实现定子电压两轴分量对电流转矩分量和励磁分量的独立控制，要求对定子电压两轴之间的耦合作用进行有效的去耦，给出磁场定向两相感应电机模型［!］0@K 12@&@K 3!@4@&@K 5"I 8!@4@&@A 3!!3!86#80@A 12@&@A 3!@4@&@A 3"I 8!@4@&@K 3"I 8!!3!8#!"#8（!）式中，0@K 、0@A 为两轴电压；&@K 、&@A为两轴电流；!为总漏磁系数；4@为电机定子电感，L ；2@为定子电阻，!；"I 8为电机角频率，8*F ／@；!8为转子漏磁系数；#8为转子磁链7以8轴为例，前两项之和2@&@K M !4@&@K 是直接对8轴电流（励磁分量）&@K 产生控制作用的控制电压，第三项N "I 8!4@&@A 是9轴电流（转矩分量）在8轴上产生的耦合电压，记为0F K ，控制系统在给出控制电压信号的同时必须对这一部分电压进行有效的补偿，以消除8、9轴之间电压电流存在的耦合关系，才能使交流电机和他励直流电机一样实现方便的转矩控制7解耦算法的准确程度对于系统的控制性能产生重要影响7收稿日期：&""&:"O :"(作者简介：沈滢（!P O Q —），女，吉林省吉林市人，硕士生7"1$.-：2G .2G "!%’.:7+郝荣泰（!P ’&—），男，辽宁辽阳人，教授，博士生导师.第&O 卷第&期&""’年(月北方交通大学学报=R >S <0TR U<R S /L 6S <=V 0R /R <W><V X 6S 1V /YX 4,.&O<4.&0H8.&""’!计算方法、仿真分析及实验结果!!"动态解耦算法以往根据解耦电压项计算方法的不同，存在两种算法（以"轴为例说明）：（!）反馈解耦!利用系统反馈电流#"#$来计算耦合电压项，$%&’(!)*"%"#"#$!反馈解耦出现最早，但存在较多弊端，尤其在高速运行性能不理想，一般在机车牵引以及其它性能要求比较高的场合较少采用!（+）前馈解耦!用电流给定信号#!"#来生成耦合电压项，$%&’(!)*"%"#!"#!前馈解耦用电流给定值代替反馈值计算解耦电压，避免了反馈延时造成的影响，且减少了控制系统反馈通路的个数，降低了系统的不稳定因素!另外电机在高速运行时随着转速的提高，耦合电压所占比重增加而通过,-调节产生的控制电压比重相对减少，因此把给定信号引入到比重大的解耦电压项是前馈方式的重大进步，可以更快的跟随给定信号的变化!前馈解耦的缺点是对"、%"等参数仍有较大的依赖性，一定程度上制约了解耦的效果乃至系统的控制性能!而目前人们主要把参数辩识的注意力放在变化性相对更大的转子参数上，相对忽略定子参数的辩识!国外一些学者受电力系统.,/0抗参数变化控制方法的启发，提出一种新思路［+］：通过对电流给定信号与反馈信号的差值进行,-调节来生成解耦电压项，$%&’(!)*"%"（#!"#(#"#）&123&11／（）’／（("3""%"’），称为动态解耦［+］!其中，&12、&11分别为,-调节器的比例、积分系数!将,-调节引入到解耦电压项的计算中，不仅保证了高速运行时系统跟随给定变化的调节能力、快速响应给定的变化，而且增强了抗参数变化能力!在频域，动态解耦的闭环传递函数为)"&（’）!*!+1’,!)"&$（’（））&12,&11（）’*)"#（’）!*!+1’,!)"#$（’（）［）&12,&11（）’!)*"%"(","%"’,!)*"%")"#$（’］）!(","%"’-)"&$（’）)"#（’）!*!+1’,!)"#$（’（））&12,&11（）’［,)"&（’）!*!+1’,!)"&$（’（））&12,&11（）’!)*"%"(","%"’*!)*"%")"&$（’）,!)*（%"*"%"）!+*’,!（)"&（’）!*)"&$（.］））!(","%"’-)"#$（’"#$）（+）式中，)"&（’）、)"#（’）为频域表示的两轴电流，下标$表示反馈量，上标!表示给定量，’为拉氏算子!!!!仿真分析（!）频域分析!依据闭环传递函数，在456758／09:6*97;#"6<)中构建+=+阶系统数学模型对系统进行频响分析［>］?所用电机为@A +B >!B C 型三相鼠笼感应电机，额定功率+?+D E ，额定电压>F GH ，额定电流C I F FJ ，额定频率K GL M ，极对数+，额定转速!C >G *／)1:，定子电阻+?+>!，转子电阻!?!K !，定子漏感G I G !!L ，转子漏感G ?G !!L ，励磁电感G ?!N F FL ?转矩响应是衡量交流调速系统性能好坏的重要指标，给出转矩电流#"#对输入转矩给定信号#!"#的波特图如图!所示!观察幅频特性曲线的形状：动态解耦与理想完全解耦的曲线非常接近，既无超调也无震荡现象!而前馈解耦存在超调，反馈解耦既存在超调又存在震荡，故动态解耦与其他两种算法相比具有更好的稳定性!从幅频特性的带宽和相频特性的相角滞后来看动态解耦和前馈解耦具有快速的响应能力!（+）时域分析!此闭环系统是双输入双输出系统，首先将"轴励磁分量给定值设为恒定，考察/轴转矩分量#"#对其给定#!"#的响应情况!用456758／;1)O 71:D 作出>种解耦算法的阶跃响应，参数如表!所示!动态解耦和前馈解耦表现出较快的响应速度，但情况最好的是动态解耦!以上分析假定磁场分量恒定不变，反映了通常工业应用场合电机运行在恒转矩区的状态!在其它应用中如电力机车牵引等场合还要求电机能工作在恒功区，此时励磁是变化的，必须考虑励磁变化对转矩响应的影响!在恒功弱磁区，定子电压幅值达到最大限幅值，励磁电流与转速成反比例函数关系，故转矩的阶跃变KK 第+期沈滢等：感应电机矢量控制解耦算法的研究（!）幅频特性（"）相频特性图#频率特性分析化会引起励磁的变化$假定转矩电流给定值在发生阶跃变化的时刻，近似认为励磁电流以某一斜率下降，观察表#所列的各项动态指标，弱磁区的响应情况与励磁不变时相比，%种算法的性能均不同程度的变差了，反馈解耦的前后差异最明显，前馈解耦其次，动态解耦差异最小!采用动态解耦使励磁电流的变化对转矩的影响最轻，表明其具有最好的解耦效果!表#!!"对!!!"阶跃响应曲线解耦算法励磁不变时超调量／&响应时间／’弱磁区超调量／&响应时间／’反馈($#)($)%)($%*($%+,前馈($-.($##/($,)($#,*动态($(+($(%%($(.($(-##$$实验结果把动态解耦算法应用到转子磁场直接定向电压解耦型矢量控制系统中，采用与前述相同型号的电机进行实验，所用的逆变器是两点式电压型逆变器，控制系统硬件采用01公司的浮点式234（053%)(6%#）和1789:的电机控制专用单片机（/(6#*+56），组成双处理器控制系统，完成矢量控制的大量运算和4;5信号的生成，控制系统采样周期是)((!’$图)（!）是电机空载启动时定子电流转矩分量"’<=和定子相电流"!的波形，通道6>#为"’<=，通道6>)为经传感器反馈到矢量控制系统的定子电流"!$图)（"）是电机空载启动时转速!?和定子电流励磁分量"’@=的波形，通道6>#为"’@=，通道6>)为!?，转速上升所用时间略大于#’$图%是电机在#)((?／A B 7空载稳定运行时突加负载-(C 时的波形，通道6>)是定子电流励磁分量"’@=，通道6>#是转矩分量"’<=，可见"’<=在小于(!%’的时间内迅速上升到负载要求的大小而却基本上未对励磁分量"’@=造成明显影响!（!）定子电流"!和"’<=波形（"）转速!?和"’@=的波形图)启动时电机的电流和转速波形图%负载突变时的"’<=和"’@=波形$结语根据上述分析和实验，动态解耦继承前馈解耦的优点，把电流给定信号引入到电压耦合项的计算中，获得了快速的转矩响应，系统稳定性也得到提高；并且采取41调节的方式计算解耦电压项，克服了前馈解耦由于用给定信号直接参与解耦计算导致准确性不高、从而使动态响应速度受到限制的弊端，灵活的动态（下转+#页）+,北方交通大学学报第).卷期李进国等：小功率光伏并网逆变器控制系统的设计。

一种感应电机的解耦控制方法
周志刚
【期刊名称】《中国电机工程学报》
【年(卷),期】2003(23)2
【摘要】交流电机是一种机电能量转换的重要装置。

它有极强的电磁耦合性。

该文在交流电机转子磁场定向控制的基础上,根据控制原理的不变性原理提出了一种感应电机偏差解耦控制方法。

给出了算法的推导过程。

对所提方法的鲁棒性进行了分析。

对解耦方式与矢量控制系统结构、影响解耦因素进行了探讨。

计算机仿真对解耦效果进行了比较。

物理实验对所提方法进行了验证。

理论分析和实验结果表明所提方法具有良好的解耦控制方法。

【总页数】5页(P121-125)
【关键词】感应电要;解耦控制;交流电机;电磁耦合性;矢量控制
【作者】周志刚
【作者单位】北方交通大学电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM346
【相关文献】
1.一种考虑边端效应的直线感应电机改进解耦控制策略 [J], 王建宇
2.感应电机线性化解耦控制的解析逆系统方法 [J], 刘娟;钱伟;费树岷
3.感应电机的逆系统方法解耦控制 [J], 张兴华;戴先中;陆达君;沈建强
4.感应电机变频调速的一种解耦控制方法 [J], 王勋先;丁刚
5.一种感应电机定子磁场定向解耦控制方法 [J], 刘国海;卢家力;张浩
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永磁同步电机解耦
永磁同步电机解耦意味着在控制永磁同步电机时，将电机的转矩和磁场的控制进行解耦，使得转矩和磁场可以独立控制。

在永磁同步电机中，磁场和转矩之间存在耦合关系，通常情况下，转矩和磁场是通过电流来实现控制的。

然而，在实际控制中，转矩和磁场的要求可能会有所不同。

例如，需要提高转矩时，通常会增加电流，但这会导致磁场增强，影响电机的性能。

解耦控制的实现方式有很多种，其中一种常用的方法是磁场定向控制。

磁场定向控制通过转换坐标系，将坐标系变换到磁场的自然坐标系，使得磁场和转矩可以独立控制。

具体步骤如下：
1. 通过电机的位置反馈或者速度反馈获取电机转子的角位置或者角速度。

2. 根据转子角位置或者角速度计算出磁场的方向。

3. 将磁场的方向和所需转矩输入到磁场定向控制算法中。

4. 磁场定向控制算法根据磁场的方向和所需转矩计算出合适的电流指令。

5. 控制器将电流指令转换成PWM信号，通过功率放大器给电
机施加所需电流。

6. 电机通过施加的电流产生所需的转矩。

通过解耦控制，可以更加精确地控制永磁同步电机的转矩和磁场，提高了电机的性能和效率。

一种永磁同步电机解耦控制的新方法孙晓东;朱熀秋;张涛;潘伟;许波【期刊名称】《微电机》【年(卷),期】2010(043)001【摘要】针对永磁同步电机这一多变量、非线性、强耦合的控制对象,提出了一种基于神经网络在线辨识的永磁同步电机逆系统解耦控制新方法.通过静态神经网络加积分器来构造永磁同步电机的逆系统,并在实际运行中不断地修正神经网络权值,使其更精确地逼近逆系统.将逆系统与永磁同步电机原系统复合成两个伪线性子系统,使永磁同步电机解耦成二阶线性转速子系统和一阶线性磁链子系统,在此基础上,运用线性系统理论进行综合.仿真试验表明这种控制策略能够实现永磁同步电机转速和定子磁链之间的动态解耦控制,并且系统具有良好的动静态性能.【总页数】5页(P61-65)【作者】孙晓东;朱熀秋;张涛;潘伟;许波【作者单位】江苏大学,电气信息工程学院,镇江,212013;江苏大学,电气信息工程学院,镇江,212013;江苏大学,电气信息工程学院,镇江,212013;江苏大学,电气信息工程学院,镇江,212013;江苏大学,电气信息工程学院,镇江,212013【正文语种】中文【中图分类】TM341;TM351;TP271+.72【相关文献】1.一种基于飞机总能量控制飞行速度/航迹的解耦控制系统设计新方法 [J], 张庆振;安锦文2.一种改进的逆系统永磁同步电机解耦控制技术 [J], 杨维山;3.基于模糊PID控制器的永磁同步电机逆系统解耦控制研究 [J], 徐江红;王志伟4.基于模糊PID控制器的永磁同步电机逆系统解耦控制研究 [J], 徐江红; 王志伟5.基于解耦矢量控制的五相永磁同步电机容错控制策略 [J], 高岩;张新华;王贯;王天乙;宋志翌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

一种感应电机的解耦控制方法1 引言交流电动机，尤其是感应电动机，以其坚固耐用、维护方便、环境适应性强、价格低廉，可制成大容量、高转速电机而著称。

但交流机也存在着在高性能上难控的问题，这主要是因为交流机是一个强耦合、多变量的非线性系统[1]。

矢量控制技术给出了交流电动机的基本解耦控制方法，为交流电动机高性能控制开创了先河[2]。

对于感应型交流电机，以转子磁场定向构成的控制系统不仅可使电机的转矩控制和励磁控制完全解耦而且较易实现，这在方程式(3)、(5)、(6)中表达了这种解耦关系。

转子磁场定向电压解耦型的异步电机模型可写成[3]：式中u，i为电压和电流；l、r、ω、ψ为电感、电阻、角速度和磁链；下标中的s、r、m为定、转子和磁场量，而d、q为旋转坐标系的d轴和q轴分量；tr、te为转子时间常数、电磁转矩；、δr=lrl/lm为定子瞬间电感因数、转子漏磁因数。

在感应电机模型中，由于转子磁场定向控制的结果，工程上可以认为ψr为常数[4]，异步电动机电压方程可写为：从方程式(7)、(8)可以看到，电机定子交、直轴电压不仅与交、直轴阻抗压和反电势有关，还与由交、直轴电流所形成交叉耦合电压有关，交叉耦合电压的存在直接影响着对电机的控制性能，因此，还需要对交、直轴的交叉耦合电压进行解耦。

由交流异步电动机模型式(1)~(6)可以得出电机模型框图如图1所示，图中p 为微分算子。

2 解耦控制2.1 解耦控制的概念解耦控制就是通过一定的控制算法将控制对象中的输入输出耦合消除，使得控制对象中的输出仅受相应自身输入的控制。

解耦控制属控制理论范畴，传统的解耦控制方法是通过对耦合矩阵的对角化而实现解耦的，这往往需要对耦合矩阵进行求逆[5]，本文应用不变性原理提出一种感应电机的偏差解耦方法。

2.2 不变性原理不变性原理就是通过耦合对象外部引入一个解耦支路来抵消控制对象的耦合影响。

图3给出2×2耦合对象的信号流图，图中虚线是耦合对象的内部信号联系流图，实线为外部引入的解耦支路信号流图。

异步电机定子磁场定向控制方法目前应用广泛的高动态性能的交流调速系统控制方法有矢量控制和直接转矩控制，这两种控制方法各有所长，但也存在着一些缺点。

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，采用PI连续调节方式，实现转矩与转子磁场的控制。

但是其解耦性能取决于转子磁场的精确定向，由于转子磁链的观测或计算是在电机模型的基础上进行的，因而转子磁场的定向受到电机参数特别是易于变化的转子电阻的影响。

直接转矩控制是根据转矩及定子磁链的偏差，分别采用砰砰控制的方法，根据定子磁链所在的扇区，直接产生PWM驱动信号，系统结构简单，对转子参数不敏感，但砰砰控制决定了转矩脉动不可避免，虽然增加电压综合矢量个数可以降低转矩脉动，但不能消除，本报告中的定子磁场定向控制方法是在两种系统的基础上，取长补短的一种新方法。

异步电机定子磁场定向控制方法有两个特点：1、定子磁链用电压模型计算，采用连续的闭环控制，在补偿定子电阻压降的基础上直接控制定子磁链的变化率；2、转速控制采用与矢量控制相仿的三环结构，内环为定子电流转矩分量控制，实现了转矩电流的快速跟随，第二环是转矩闭环控制，用以抑制定子磁链对转矩的扰动，最外环为转速闭环。

这种控制方法克服了矢量控制对转子电阻的直接依赖性，同时采用连续的控制方法克服了砰砰控制带来的转矩脉动。

为了研究异步电机定子磁场定向控制方法，我们要建立异步电机按定子磁场定向的动态模型。

根据定子磁场定向的定义可知，在d-q坐标系中，规定d轴与定子磁链矢量ψ的方向重合，q轴与ψ的方向垂直。

因此，在d-q坐标系中，A相的电流、电压、磁链可以表示为：)sin cos (32)sin cos (32)sin cos (32s sq s sd A s sq s sd A s sq s sd A u u u i i i θψθψψθθθθ-=-=-= 将上式代入A 相电压方程：dtd i R u AA s A ψ+= 对于任意s θ都成立，因此可得d-q 坐标系中的定子电压方程：dtd dt d i R u dt d dt d i R u s sdsqsq s sq s sq sdsd s sd θψψθψψ++=-+= 同理可得d-q 坐标系中的转子电压方程：dt d dt d i R u dtd dt d i R u slrs rq rq r rq sl rq rd rd r rd θψψθψψ++=-+=综上可得同步旋转的d-q 坐标变换后的电压方程为：)()(r s rd rqrq r rq r s rq rdrd r rd ssd sqsq s sq s sq sdsd s sd dt d i R u dt d i R u dtd i R u dt d i R u ωωψψωωψψωψψωψψ-++=--+=++=-+=而磁链方程为：sqm rq r rq sd m rd r rd rq m sq s sq rd m sd s sd i L i L i L i L i L i L i L i L +=+=+=+=ψψψψ由上述磁链方程可得定转子磁链的关系：sq rmr s rq r m rsqm rq m sq s sq i L L L L L L L i L L i L 2-+=-⋅+=ψψψ··········（1） 同理可得：sd r mr s rd r m r sdm rd m sd s sd i L L L L L L L i L L i L 2-+=-⋅+=ψψψ··········（2） sd m s r m sd m r msds sd r sd m rd i L L L L L LL i L L i L -+=-⋅+=2ψψψ··········（3） sq ms r m sq m r msqs sq r sq m rq i L L L L L LL i L L i L -+=-⋅+=2ψψψ· (4)考虑鼠笼型异步电机0==rq rd u u ，则由转子电压方程可得：rd r rq r s rdi R dtd --=ψωωψ)( 又由第三个磁链方程可得：rsdm rd rd L i L i -=ψ代入上式转子电压方程可得：sd rmrrdrq r s r sdm rd r rq r s rd i T L T L i L R dt d +--=-⋅--=ψψωωψψωωψ)()( (5)同理，将第四个磁链方程代入第四个电压方程可得：sq rmrrqrq r s rsqm rq r rd r s rq i T L T L i L R dtd +---=-⋅---=ψψωωψψωωψ)()( (6)将磁链方程代入电压方程可得：)(0)(0r s rd sqm rq r rq r r s rq sd m rd r rd r ssd rqm sq s sq s sq s sq rd m sd ssd s sd dt di L dt di L i R dt diL dt di L i R dtdi L dt di L i R u dt diL dt di L i R u ωωψωωψωψωψ-+++=--++=+++=-++= (7)将（7）中第三个式子的dtdi rd代入（7）中第一个式子，并将代入式（5）和（1）可得：s sq sd m sd r m r rd r s rq r m sd s sd s sd dt di L i T L T L L dt di L i R u ωψψωωψ-⎥⎦⎤⎢⎣⎡++--++=)(移项整理可得：ssdsq s sd r s m r r s rq r r s m rd r r s m sd L u i i L L L R L R L L L T L L L dt di σωσψωσψσ+++-+=222·······（8） 其中sr m L L L21-=σ为漏磁系数，r r r R L T =为电磁时间常数。