异步电机定子磁链观测方法的改进研究

异步电动机转子磁链观测方法的比较与研究转子磁链、观测方法、比较、矢量控制、直接转矩控制1 引言在异步电动机变频调速控制系统中，矢量控制技术和直接转矩控制技术得以有效实现的一个重要基础是在于异步电动机磁链信息的准确获取，这就需要知道磁链的幅值和相位。

根据三相异步电动机在两相任意转速旋转坐标系下的数学模型可知，定子、转子和气隙磁链的方程式为：定子磁链：（1）转子磁链：（2）气隙磁链：（3）从以上方程式不难看出定子、转子和气隙磁链三者只要有一个获得，另外两个就可推导而出。

因此异步电动机就有三种与之相对应的磁场定向方法，分别是按定子磁场定向、按转子磁场定向和按气隙磁场定向。

不过按定子、气隙磁场定向方法未能实现iM和iT的完全解耦，因此按转子磁场定向是目前主要采用的方法，它可以实现磁通电流分量、转矩电流分量的完全解耦。

下面就对转子磁链观测的方法进行一些比较研究，从而为实际应用时选择合适的观测器提供依据。

转子磁链的观测最初是采用直接检测气隙磁链的方法，就是在电机定子内表面装贴霍尔元件或其他磁敏元件，或者在电机槽内埋设探测线圈。

利用被测量的气隙磁通，由式（2）、（3）就可得到转子磁通。

从理论上讲，该方法应该比较准确，但实际上埋设探测线圈和装贴磁敏元件都会遇到不少工艺和技术上的问题，在一定程度上破坏了电机的机械鲁棒性。

同时由于齿槽影响，使检测信号中含有较大的脉动分量，越到低速时越严重。

因此在实用的系统中，多采用间接计算的办法，即利用容易测量的电压、电流或转速等信号，借助转子磁链观测模型，实时计算磁链的模值和空间位置。

2 转子磁链的间接获取方法根据实测信号的不同组合，可以有多种转子磁链观测模型，总的说来可以分为两大类：开环观测模型和闭环观测模型。

2.1 开环观测模型（1）电流模型法根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型叫做电流模型，它可以在不同的坐标系下获得。

● 在两相静止坐标系α-β下转子磁链的电流模型由实测的三相定子电流经过Clarke变换很容易得到两相静止坐标系上的电流isα和isβ。

异步电机矢量控制方案论证一，概述三相异步电机具有结构简单，牢固，维修方便，价格便宜等特点，目前在工业领域中得到广泛应用。

早期的变频调速采用变压变频（VVVF）速度开环的方式，基频以下为恒压频比控制，在低速时，提高电压以补偿定子阻抗压降。

这种调速方法的控制结构简单，成本低，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提供足够的保障。

1971年德国西门子公司的F.Blashke等革命性地提出了“感应电机磁场定向控制原理(Fieldorientation)”，即矢量控制技术，使交流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。

矢量控制的实质是利用美国A.A.Clark提出的“感应电机定子电压的坐标变换控制”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控制变频调速技术。

矢量控制通过引入坐标变换，把复杂的异步电机等效为简单的模型，在保证磁场准确定向的情况下，可以实现励磁电流和转矩电流的解耦，使得交流电机的转矩控制性能可以与直流电机相比拟，这无疑是交流传动控制理论上的一个质的飞跃。

转子磁场的定向控制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。

若忽略由反电动势引起的交叉耦合，检测出定子电流的直轴分量，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分量成正比，通过控制定子电流的交轴分量就实现对电磁转矩的控制,此时称定子电流的直轴分量为励磁分量，定子电交轴分量为转矩分量。

可由电压方程的直轴分量控制转子磁通，交轴分量控制转矩从而实现磁通和转矩的解耦控制。

转子磁场定向的最大的优点是达到了完全解耦，无需增加解耦器，控制方式简单，具有良好的动态性能和控制精度。

在异步电机矢量控制中，要实现准确的解耦，必须要知道转子磁链准确的相位角。

而在直接矢量控制中，为了实现磁链的反馈控制，还要知道转子磁链准确的幅值。

收稿日期:2004209229.作者简介:万淑芸(19402),女,教授;武汉,华中科技大学控制科学与工程系(430074).E 2mail :Wang -Shuyu @一种感应电机直接转矩控制磁链观测的改进方法万淑芸　胡婵娟　徐金榜　万宇宾(华中科技大学控制科学与工程系,湖北武汉430074)摘要:根据感应电机直接转矩控制的特点,对低速下磁链观测误差产生的原因进行了分析,给出了一种磁链观测的改进方法———低通滤波器补偿法.这种方法在采用低通滤波器代替纯积分环节的基础上,根据定子磁链的实际值与估计值之间的关系,推导出估计磁链的补偿公式,给出了原理框图,并对观测结果进行了仿真比较.仿真结果表明,采用低通滤波器补偿法,直接转矩控制系统的低速性能有十分明显的提高,证实了该方法的有效性.关　键　词:感应电机;直接转矩控制;磁链估算;低通滤波器中图分类号:TM301 文献标识码:A 文章编号:167124512(2005)0820059203An improved method of flux linkage estimation of directtorque control in induction motorsW an S huyun Hu Chanj uan X u Ji nbang W an Y ubi nAbstract :According to the characteristics of D TC (direct torque control )in induction machine ,this paper analyzed the estimation error of flux linkage and torque ,and introduced an improved method of flux estima 2tion ,a compensation method based on low 2pass filter.Based on the relationship between real and estimated values of the stator flux linkage ,the compensatory formulas of the estimated flux linkage and its principle block diagram were presented.The simulation results showed that the performances have been improved by the compensation method based on low 2pass filter in low speed in D TC system ,confirming the validity of the method.K ey w ords :induction motor ;D TC (direct torque control );flux estimation ;low 2pass filterW an Shuyun Prof.;Dept.of Control Sci.&Eng.,Huazhong Univ.of Sci.&Tech.,Wuhan 430074,China. 直接转矩控制(D TC )是近年来继矢量控制之后发展起来的一种新型控制技术.与矢量控制相比,直接转矩控制摒弃了解耦控制的思想,用定子磁链代替转子磁链,直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型,对磁链和转矩进行控制[1].实现高性能直接转矩控制系统的重要环节是准确地观测异步电机的定子磁链.目前的磁链观测方法,主要有电压模型、电流模型和基于两者的混合模型,其中电压模型最为常见.但由于电压模型中使用了纯积分环节,微小的直流偏置都将最终导致积分饱和,从而造成磁链估算的错误.为此,在电压模型中,通常采用一阶低通滤波器来替代纯积分环节,以消除积分环节对直流量的积累作用.但低速时在磁链观测上的误差,会直接影响直接转矩控制系统的效率和性能.本文根据感应电机直接转矩控制的特点,分析了低速时磁链观测误差产生的原因,给出了一种改进的方法———低通滤波器补偿法.这种方法在采用低通滤波器代替纯积分环节的基础上,根据定子磁链的实际值与估计值之间的关系,推导出估计磁链的补偿公式,并对观测结果进行了仿真比较.仿真结果表明,采用低通滤波器补偿法,直接转矩控制系统的低速性能有十分明显的提高.第33卷第8期 华中科技大学学报(自然科学版) Vol.33　No.82005年　8月 J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Nature Science Edition ) Aug.　20051　低通滤波器补偿法在电压模型的基础上,近年来提出很多改进的方法.文献[2]中采用一种数字积分器,但是这种方法只是定量地解决了积分饱和问题.文献[3]在一阶低通滤波器的基础上将输出的磁链引回作反馈补偿,建立一种介于纯积分和低通滤波环节之间的算法,但这种算法比较复杂,使直接转矩控制失去了系统结构简单的优点.这里讨论另一种改进的方法[4].定子磁链可由如下表达式计算[5]:ψs =∫(V s-I s R s )d t.其频域表达式为ψs =(V s -I s R s )/(j ωe ),采用低通滤波器代替纯积分环节,式(2)变为ψ′s =(V s -I s R s )/(j ωe +ωc ),(1)式中:ψs 为磁链实际值;ψ′s 为磁链估计值;ωe 为电机稳态运行时的角频率(同步频率);ωc 为低通滤波器的截止频率.由式(1)可得ψ′s =V s -I s R s(ω2e +ω2c)(ωc -j ωe ),令ψs =|ψs |∠θ,ψ′s =|ψ′s |∠θ′,则式(4)可写成ψ′s ψs ∠θ′-θ=ωe (ω2e +ω2c )1/2∠<,(2)式中<=π/2-arctan (ωe /ωc ).从式(2)可看出,当ωe =ωc 时,<′与<幅值之比为1/2,相位差为π/4.从理论上来说,截止频率越小越好,但是截止频率太小,又会使低通滤波器对直流偏置信号的过滤性能降低.采用低通滤波器代替纯积分器的目的是为了避免由感应电流或电压引起的积分漂移,但是由低通滤波器引入的定子磁链的幅值和相位误差会影响电压矢量的选择和电磁转矩的响应.因此,采用低通滤波器代替纯积分环节时,必须对磁链的幅值和相位进行补偿,以下分析进行补偿的方法.如图1所示,设<′=arctan (ωe /ωc ),则图1　定子磁链的实际值与估计值的关系tan <′=ωe /ωc ,<+<′=π/2.因为　θ′+<′=θ′+(π/2-<)=θ′+[(π/2-θ′)+(θ′-<)]=π/2+(θ′-<),所以cos (θ′-<)=cos [(θ′+<′)-π/2]=sin (θ′+<′),于是有　ψsd =ψs cos (θ′-<)=ψs sin (θ′+<′)=ψs (sin θ′cos <′+sin <′cosθ′)=ψs [(ψ′sq /ψ′s )(ωc /ω)+(ψ′sd /ψ′s )(ωe /ω)]=(ω/ωe )ψ′s [(ψ′sq /ψ′s )(ωc /ω)+(ψ′sd /ψ′s )・(ωe /ω)]=(ωc ψ′sq )/ωe +ψ′sd ,(3)式中ω=(ω2e +ω2c)1/2.同理可得ψsq =-ωc ψ′sd /ωe +ψ′sq ,(4) 式(3),(4)为估计磁链的补偿公式,其原理如图2所示.图2　定子磁链补偿器原理图2　仿真结果2.1　感应电机直接转矩控制系统的结构在直接转矩控制技术中,基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的幅值和旋转速度,以改变定子磁链的平均旋转速度的大小,从而改变磁通角的大小,达到控制电机转矩的目的.在实际控制系统中,通过测得的转矩和磁链分别与给定值进行比较,再将差值通过bang 2bang 控制得出开关信号,最后由开关信号选取适合的电压空间矢量,控制转矩和磁通的变化.感应电机直接转矩控制系统的仿真结构框图如图3所示.2.2　仿真所用的感应电机参数根据图3在Matlab 的Simulink 环境下建立直接转矩控制的仿真系统.仿真所用的感应电机参数为:额定功率为2.2kW ,额定电压为380V ,额定频率为50Hz ,额定转速为150rad/s ,定子电阻为2.23Ω,转子电阻为1.55Ω,定子电感为0.21H ,转子电感为0.21H ,励磁电感为0.1988H ,转动惯量为0.055kg ・m 2,极对数为2.2.3　仿真结果比较仿真系统中速度控制采用PID 控制器,ωe =6 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版) 第33卷图3　直接转矩控制系统结构框图40rad/s,当t=1～1.5s时,加入幅值为0.3的直流偏置扰动信号,仿真时间为5s.图4和图5分别给出了仿真得到的定子磁链波形图和转矩实际值与估计值波形图.其中图4(a)为采用纯积分器的仿真图形,图4(b)为采用低通滤波器的仿真图形,图4(c)为采用低通滤波器补偿法的仿真图形.图5中波动较大的为转矩实际值,波动较小的为转矩估计值.图4　定子磁链波形图仿真结果显示,纯积分器不能滤除直流偏置信号,低通滤波器能够较好地滤除直流偏置信号,而采用低通滤波器补偿法不但能很好地滤除直流偏置信号,而且能减小磁链和转矩的观测误差,且容易实现,具有一定的实用价值.图5　转矩实际值与估计值波形图参考文献[1]李　夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,2001.[2]Seyoum D,Rahman M F,Grantham C.Sim plified fluxestimation for control application in induction machines [J].IEEE International Electric Machines and Drives Conference(IEMDC)Madison,2003,2:691—695 [3]Hu J un,Wu Bin.New integration algorithms for esti2mating motor flux over wide s peed range[J].IEEE Trans on Power Electronics,1998,9:969—997 [4]Nik Rumzi N I,Abdul H M Y.An im proved stator fluxestimation in steady2state operation for direct torque control of induction machine[J].IEEE Transaction on Industry Applications,2002,38(1):110—116[5]朱鹏程,康　勇,陈　坚.异步电机直接转矩控制系统研究[J].电力电子技术,2003,37(1):44—4616第8期 万叔芸等:一种感应电机直接转矩控制磁链观测的改进方法 。

异步电机定子磁链定向矢量控制系统的设计与研究的开题报告一、选题背景及意义随着电力电子技术的快速发展，异步电机磁链定向矢量控制技术也日趋成熟，已成为现代工业中普遍采用的控制方式。

在电力驱动系统中，异步电机具有结构简单、制造成本低、运行可靠等优点，在机床、风力发电、轨道交通等领域的应用越来越广泛。

磁链定向矢量控制技术是通过对异步电机定子和转子电流的控制，实现电机高效、高精度的转矩控制和速度调节。

电机控制系统设计的好坏，直接决定了电机的效率、动态性能和稳定性能。

因此，对异步电机定子磁链定向矢量控制系统的设计与研究，具有重要的理论和实际意义。

二、选题内容和研究方法本课题旨在研究异步电机定子磁链定向矢量控制系统的设计与优化，主要包括以下内容：（1）基于Matlab/Simulink平台，建立异步电机磁链定向矢量控制系统的仿真模型，分析系统的动态性能和稳态性能。

（2）通过分析电机运行特性、控制要求和控制器结构，设计异步电机磁链定向矢量控制系统的控制器。

（3）基于DSP技术，实现异步电机磁链定向矢量控制系统的硬件控制器设计，完成控制算法的编写和调试。

（4）在实验室进行实验验证，测试系统的控制性能，比较实验结果与仿真模型结果，分析系统的优化空间和改进方向。

研究方法主要包括理论分析、仿真模拟和实验验证。

三、预期结果和创新性本课题的预期结果是成功设计出异步电机定子磁链定向矢量控制系统，并通过实验验证系统的性能优异，系统稳定可靠，具有一定的创新性。

同时，本课题还具有以下的创新性：（1）采用DSP技术和Matlab/Simulink平台相结合的方法，提高了研究的效率和准确性。

（2）提出了一种新的控制器结构，通过优化控制算法，控制器具有更好的控制精度和抗扰性能。

（3）探索了异步电机磁链定向矢量控制系统在工业应用中的实际情况和应用效果，为异步电机的磁链定向矢量控制系统研究提供了新的思路和方法。

四、研究目标和任务本课题的研究目标是设计一种高效、高精度、高稳定性的异步电机定子磁链定向矢量控制系统，并通过实验验证其性能优异。