改进U-I法异步电机转子磁链估计器

2017-04-11 11:24:24 大云网　点击量：评论 (0)

核心提示：　　异步电机传动系统的应用日益广泛，而且很多工业场合（如电动汽车）采用转子磁场定向的控制方式。获得精确的转子磁链是实现高性能控制的关键，而电机参数摄动和量测噪声等不确定性因素会恶化磁链估

核心提示：　　异步电机传动系统的应用日益广泛，而且很多工业场合（如电动汽车）采用转子磁场定向的控制方式。获得精确的转子磁链是实现高性能控制的关键，而电机参数摄动和量测噪声等不确定性因素会恶化磁链估计器的性能。因

　　异步电机传动系统的应用日益广泛，而且很多工业场合（如电动汽车）采用转子磁场定向的控制方式。获得精确的转子磁链是实现高性能控制的关键，而电机参数摄动和量测噪声等不确定性因素会恶化磁链估计器的性能。因此，抑制扰动、提高磁链估计精度是一个极具实际意义的问题。

　　最近十年，转子磁链估计一直是研究的热点，主要的方法包括基于电机模型的方法、信号分析的方法及现代控制理论的方法，等等。信号分析的方法往往依赖于电机本身的结构特点，因此通用性较差。现代控制理论，如扩张Kalman滤波器（EKF）、模型自适应方法（MRAS）、Lyapunov稳定性原理等，在转子磁链观测中得到一定的应用，但往往难以兼顾误差收敛速度和参数敏感性两个方面'同时还要面临计算开销过大的问题。基于电机模型的方法主要包括U-I法、I-to法和U-co法。U-I法不涉及转速和转子时间常数，具有较好的鲁棒性，因此得到了广泛的应用。U-I法的主要不足在于对定子电阻的摄动比较敏感和易发生积分漂移。近年来，国内外学者致力于积分环节改进和定子电阻辨识的研究，取得了宝贵的经验。

　　本文提出了一种改进U-I法的转子磁链估计器。首先在基于跟踪-微分器的电流定向的坐标系中进行稳态转子磁链估计和定子电阻辨识，在此基础上，改进经典的U-I法估计器。改进U-I法可以抑制定子电阻摄动、量测噪声积累以及电机剩磁等不确定因素对转子磁链估计精度的影响。此外，本文中假定磁路为线性且电感参数为已知常数。

　　2电流定向和跟踪-微分器2.1电流定向异步电机控制中，常用的坐标系有静止or-，坐标系的和磁场定向的d-q坐标系。本文提出一种电流定向的新坐标系，它在稳态磁链估计和定子电阻辨识方面具有独特的优点。

　　异步电机定子电流在空间合成矢量（，其旋转速度为叫在a）坐标系中投影为定义所示的“1-2坐标系”，其1轴与同方向，并落后2轴71/2，且坐标系的旋转速度等于码。本文中以下标1、2来区分各矢量在1、2轴上的投影。

　　电流定向的1-2坐标系1-2坐标系与坐标系间电流的变换关系为和磁链也具有同样的变换关系。

　　若令人，b=ZL，则异步电机电磁子系统的数学模型可写成尺、'为定转子电阻；4、乙为定转子电感；7；=V尺为转子时间常数；4为定转子互感；供为电机转速。

　　坐标系的（也即1）的）旋转速度码仅与定子电流有关，若当前采样周期为t则有因量测噪声的存在，式（4）难以给出高品质的微分信号，而利用跟踪-微分器（Tracking-Differentiator）可以准确计算叫（幻，实现电流定向，艮P的快速控制最优函数为m jc2，r，/，其中，/冰）为非线性函数，则离散系统j：！（/：+1）=！（k）+hx2称作信号vk）的“跟踪-微分器（TD）”，其输出；为vt）的微分。

　　例：给出了信号：ysinGroWO和y2=sin（2ji从）+vv（A：/i）的微分结果，其中vv（A）为噪声。

　　显然，利用TD得到了高品质的的微分，而纯微分器放大了3中的噪声，淹没了有效信号。

　　3稳态转子磁链估计和定子电阻辨识除特别说明外，本节的符号均基于1-2坐标系。

　　基于式（2），消去陪和可得到上两式不涉及转子时间常数和电机转速，且仅式（8）中包含定子电阻。相对于电磁子系统的时间常数，尺随温度的变化过程极慢，因此在考察磁链方程时，可近似认为兄恒定。

　　磁链达到稳态时，有则由式（9）可得若令％=（2+）/2，则稳态时有展开上式，并将转子电压基本方程代入，可得到t=-Ki￥nin+￥niri）（⑶其中和为转子电流的两个分量，且将上两式代入式（13），可得求解式（14），便得到％的稳态表达式由于考虑的是稳态情况，所以式（15）中正负号仅取决于坐标系中定子电压Mm、的相位关系，当前！时，取号，反之，取“+”号。所以式（15）可改写为根据式（8）可得上两式分别是稳态转子磁链估计器和定子电阻辨识器。稳态磁链估计与磁链的初值无关，不包含定转子电阻和转速，仅利用某一稳态时刻定子电压电流值即可计算转子磁链。这个突出的优点得益于电流定向的使用。4改进U-I法转子磁链估计器除特别说明外，本节的符号均基于标系。

　　经典的U-I法转子磁链估计器为的）为未知的定子磁链初值（或剩磁），圮为定子电阻设定值，W代表量测噪声引入的干扰。

　　利用第3节的结论，可以改写式（21）。假定在r时刻电磁子系统处于稳态，则根据式（11）、（16）和（18）可以得到此时转子磁链和定子电阻的估计值，则r时刻之后转子磁链的估计可写成WrLl￥s-khh式（22）即为改进U-I法转子磁链估计器。其中、先分别为定子磁链和定子电阻在r时刻的估计值。

　　式（22）与式（21）相比，有以下三个方面的改进：（1）定子电阻在线辨识结果取代了设定值，减少了定子电阻摄动的影响。

　　定子磁链稳态估计值取代了未知的剩磁，使得积分初值更为准确。

　　r时刻成为新的积分起点，量测噪声的积累过程由（0，0缩短为（r，0，可以有效抑制积分漂移。

　　从式（21）、（22）的离散形同样可以看出这些方面的改进，如式（23）、（24）所示。

　　改进u-i法的结构框图，如所示。可以看出，改进U-I法具有稳态磁链校正（或反馈），具有闭环的结构。

　　5应用与分析69.31mH，定转子电感为L，=Z=71.31mH，定子电阻初始值为=0.4350.用（a）的曲线模拟定子电阻的摄动情况。

　　电机在矢量控制下运行，磁链和速度指令分别为0.8Wb和2.5Hz.电压电流信号含有一定的量测噪声。（b）给出了的定子电阻辨识器的辨识误差，（c）和（d）分别给出了U-I法和改进U-I法磁链估计器的角度估计误差和幅值估计误差。显然，U-I法的估计误差受到定子电阻摄动的影响，同时随着噪声的积累逐渐发散。而改进U-I法磁链估计器在辨识定子电阻和抑制噪声积累的基础上，估计误差很小且不会发散。

　　定子电阻变化规律定子电阻辨识误差磁链角度估计误差磁链幅值估计误差仿真结果结束语本文利用跟踪-微分器建立电流定向的坐标系，以此为新的切入点，探讨了异步电机转子磁链估计问题，提出了改进u-i法。新方法具备定子电阻辨识能力，可抑制量测噪声的积累，因此能够适应系统中某些不确定性的扰动。鲁棒性方面，改进U-I法与U-I法相同，优于1-）法和U-co法。此夕卜，与EKF、MRAS等方法相比，改进U-I法算法简单，易于实现。仿真研究表明，改进u-r法精度较高，适用于无速度传感器的异步电机控制系统。