基于加权模型的异步电动机直接转矩控制定子磁链估计

孙振川

(枣庄学院 机电工程学院，山东 枣庄 277160)

基于加权模型的异步电动机直接转矩控制定子磁链估计

孙振川

(枣庄学院 机电工程学院，山东 枣庄 277160)

提出了异步电动机直接转矩控制系统中定子磁链估计的加权模型，实现了电机全速运行范围内定子磁链估计的u-i模型和i-n模型之间的平滑切换，并用MATLAB/Simulink对该模型进行了仿真，仿真结果表明，加权模型可以在异步电动机全速运行范围内准确地估计定子磁链，为实现异步电动机的直接转矩控制奠定了基础.

异步电动机；定子磁链估计；加权模型.①

0 引言

在异步电动机直接转矩控制系统中，在电动机全速运行范围内准确无误地估计定子磁链是实现控制系统高动态性能的前提和保证[1].定子磁链估计的基本模型分为电压-电流模型(u-i模型)、电流-转速模型(i-n模型)和电压-转速模型(u-n模型)三种.u-i模型是用定子电压和定子电流来确定定子磁链的模型.这种模型最简单，在计算过程中所唯一需要知道的电机参数是易于确定的定子电阻.这种模型只有在被积分的差值较大时才能提供正确的结果，只有在10%额定转速以上，特别是在30%额定转速以上时，才能够非常准确地估计定子磁链.i-n模型是用定子电流和转速来确定定子磁链的模型.在30%额定转速以下范围内，由于定子电阻压降不可忽略，故定子磁链只能根据转速来计算.这种方法受转子电阻、漏电感和定子电感变化的影响，观测方法的鲁棒性较低.u-n模型是u-i模型和i-n模型的综合.将30%额定转速定为切换点，高于此转速用u-i模型，低于此转速用i-n模型.由i-n模型向u-i模型切换时，需要一个电流PI调节器，它的作用是强迫电动机模型电流与实际的电动机电流相等，这样可以提高电动机模型的仿真精度[2][3].模型的基本方程式是u-i模型和i-n模型基本方程式的综合.为了实现定子磁链估计的u-i模型和i-n模型之间的平滑切换，本文提出了一种新的模型，即加权模型.仿真结果表明，加权模型可以在异步电动机全速运行范围内准确地估计定子磁链，为实现异步电动机的直接转矩控制奠定了基础.

1 定子磁链估计的加权模型

为了实现定子磁链估计的u-i模型和i-n模型之间的平滑切换，本文提出了一种新的模型，即加权模型.该模型的原理是：以30%额定转速为中点，在此转速的邻域内，让定子磁链估计模型由i-n模型平滑过渡到u-i模型，使得在异步电动机的全速运行范围内都能准确地估计定子磁链[4][5].为了研究方便，取25%额定转速到35%额定转速为模型加权过渡区间，加权方式采用线性加权法.如图1所示，0表示定子磁链估计的i-n模型，1表示定子磁链估计的u-i模型，A点表示25%额定转速，B点表示30%额定转速，C点表示35%额定转速.在C点以上用u-i模型，在A点以下用i-n模型，在A点和C点之间，采用线性加权的方式，从i-n模型线性过渡到u-i模型.

假设整个过渡过程的时间为Δt(可以由u-i模型的仿真曲线得到)，则

k2=1-k1

(1)

在上式中，k1、k2分别表示u-i模型和i-n模型的加权系数，t表示从25%额定转速开始计时所得到的时间，其值域为[0,Δt].令ψs1、ψs2分别表示u-i模型和i-n模型输出的定子磁链幅值，则过渡过程的定子磁链幅值为

ψs=k1ψs1+k2ψs2

(2)

当t=0时，k1=0,k2=1，ψs=ψs2，此时定子磁链估计模型为i-n模型.

当t=Δt时，k1=1,k2=0，ψs=ψs1，此时定子磁链估计模型为u-i模型.

图1 定子磁链估计的加权模型原理图

加权模型的系统结构图如下：

图2 加权模型的系统结构图

2 仿真结果及分析

本文针对异步电动机直接转矩控制中定子磁链估计的三种基本模型和加权模型，采用Matlab/Simulink仿真软件进行了仿真验证，并对仿真结果进行了对比和分析.仿真所用的参数：额定电压U=220V，频率f=50Hz，额定转速v=1480r/min，定子电阻Rs=4.25Ω，转子电阻Rr=3.24Ω，定子等效两相绕组的自感Ls=0.666H，转子等效两相绕组的自感Lr=0.671H，定子与转子同轴等效绕组间的互感Lm=0.651H，极对数np=2，转动惯量J=0.02N·m2.仿真时间t=2s[6].仿真结果如下：

由上述仿真结果可知，在0.2s(此时电机转速约为30%额定转速)以前，i-n模型和u-n模型的差值较小，大约在-0.1Wb到0.1Wb之间；在0.2s以后，u-i模型和u-n模型的差值较小，大约在-0.02Wb到0.02Wb之间.由此可以得出结论：u-n模型兼有u-i模型和i-n模型的优势，可以在异步电动机全速运行范围内更准确地估计定子磁链.

图10表明，加权模型和u-n模型基本等效，在0.2s以前其误差在-0.1Wb到0.1Wb之间，在0.2s以后其误差在-0.02Wb到0.02Wb之间.由此可以得出结论：加权模型也可以在异步电动机全速运行范围内准确地估计定子磁链.

3 结论

本文从异步电动机直接转矩控制中三种模型出发，运用MATLAB/simulink中的s函数对异步电动机的定子磁链估计加权模型进行了仿真，仿真结果表明，加权模型和u-n模型的差值较小，且省去了电流PI调节器，也可以在异步电动机全速运行范围内准确地估计定子磁链.

[1]陈伯时. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M]. 北京:机械工业出版社,2003.

[2]李夙.异步电动机直接转矩控制[M]. 北京：机械工业出版社,1994.

[3]薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/simulink的系统仿真技术与应用[M]. 北京:清华大学出版社,2002.

[4]Nik Rumzi Nik Idris, Abdul Halim Mohamed Yatim. An Improved Stator Flux Estimation in Steady-State Operation for Direct Torque Control of Induction Machines. IEEE Transactions on Industrial Applications, Vol.38, No.1, Jan/Feb 2002, Page(s)：110-116.

[5]P. L. Jansen ,R. D. Lorenz. A physically insightful approach tothe design and accuracy assessment of flux observers for field orientedinduction machine drives.IEEE Trans. Ind. Applicat, Vol. 30, Jan/Feb1994, Page(s)：101-110.

[6]孙振川.异步电机直接转矩控制理论和技术的研究[R].山东大学硕士学位论文,2008.

TM346

A

1004-7077(2013)05-0081-04

2013-08-25.

枣庄学院青年科研计划项目(项目编号：2011QN37)..

孙振川(1983-)，男，山东滕州人，枣庄学院机电工程学院讲师，工学硕士，主要从事电力电子技术和交流电机控制研究.

闫昕]