定子磁场定向控制方法报告

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的方向重合，q轴与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：)sincos(32)sincos(32)sincos(32ssqssdAssqssdAssqssdAuuuiii将上式代入A相电压方程：dtdiRuAAsA对于任意s都成立，因此可得d-q坐标系中的定子电压方程：dtddtdiRudtddtdiRussdsqsqssqssqsdsdssd同理可得d-q坐标系中的转子电压方程：dtddtdiRudtddtdiRuslrsrqrqrrqslrqrdrdrrd综上可得同步旋转的d-q坐标变换后的电压方程为：)()(rsrdrqrqrrqrsrqrdrdrrdssdsqsqssqssqsdsdssddtdiRudtdiRudtdiRudtdiRu而磁链方程为：sqmrqrrqsdmrdrrdrqmsqssqrdmsdssdiLiLiLiLiLiLiLiL由上述磁链方程可得定转子磁链的关系：sqrmrsrqrmrsqmrqmsqssqiLLLLLLLiLLiL2··········（1）同理可得：sdrmrsrdrmrsdmrdmsdssdiLLLLLLLiLLiL2··········（2）sdmsrmsdmrmsdssdrsdmrdiLLLLLLLiLLiL2··········（3）sqmsrmsqmrmsqssqrsqmrqiLLLLLLLiLLiL2··········（4）考虑鼠笼型异步电机0rqrduu，则由转子电压方程可得：rdrrqrsrdiRdtd)(又由第三个磁链方程可得：rsdmrdrdLiLi代入上式转子电压方程可得：sdrmrrdrqrsrsdmrdrrqrsrdiTLTLiLRdtd)()(················（5）同理，将第四个磁链方程代入第四个电压方程可得：sqrmrrqrqrsrsqmrqrrdrsrqiTLTLiLRdtd)()(················（6）将磁链方程代入电压方程可得：)(0)(0rsrdsqmrqrrqrrsrqsdmrdrrdrssdrqmsqssqssqssqrdmsdssdssddtdiLdtdiLiRdtdiLdtdiLiRdtdiLdtdiLiRudtdiLdtdiLiRu················（7）将（7）中第三个式子的dtdird代入（7）中第一个式子，并将代入式（5）和（1）可得：ssqsdmsdrmrrdrsrqrmsdssdssddtdiLiTLTLLdtdiLiRu)(移项整理可得：ssdsqssdrsmrrsrqrrsmrdrrsmsdLuiiLLLRLRLLLTLLLdtdi222·······（8）其中srmLLL21为漏磁系数，rrrRLT为电磁时间常数。同理，将（7）中第四个式子的dtdirq代入（7）第二个式子，并代入（6）和（2）可得：ssdsqmsqrmrrqrsrqrmsqssqssqdtdiLiTLTLLdtdiLiRu)(移项整理可得：ssqsdssqrsmrrsrdrrsmrqrrsmsqLuiiLLLRLRLLLTLLLdtdi222········（9）考虑到按定子磁场定向控制方法中0sq，再将（3）（4）代入（8）可得：ssdsqrssdrssrrssdrsssdsqrssdrssrrssqssdrsssdsqssdrsmrrssqmrsmsqmrrrsmsdmrsmsdmrrrsmsdLuiiLLLRLRTLLuiiLLLRLRLTLLuiiLLLRLRiLLLLLLLLLiLLLLLLTLLLdtdi)(1)(1122222···（10）再将（3）（4）代入（9）可得：ssqsdrssqrsrssrsdrsssqsdrssqrsrssrsdrssqrsssqsdssqrsmrrssqmrsmsdmrrrsmsdmrsmsqmrrrsmsqLuiiLLLRLRLLuiiLLLRLRLTLLuiiLLLRLRiLLLLLLLLLiLLLLLLTLLLdtdi11122222···（11）接下来推导异步电机的运动方程，首先是电磁转矩，因为按定子磁场定向控制方法中0sq，可得电磁转矩方程：sqsdpsdsqsqsdpsqsdsqsdpsspeiniinjiijninT3232Im32Im32················（12）因此，异步电机按定子磁场定向控制的运动方程为：LsdsqpLepTinTTdtdnJ32················（13）易得异步电机按定子磁场定向控制的电压方程：sdsdssduiRdtd·····················（14）综上所述，由式（10）（11）（13）（14）可得异步电机按定子磁场定向控制的数学模型：LsdsqpLepssqsdrssqrsrssrsdrssqssdsqrssdrssrrssdrssdsdsdssdTinTTdtdnJLuiiLLLRLRLdtdiLuiiLLLRLRTLdtdiuiRdtd321)(1·········（15）将式（15）的第二个式子的sdi拆开后得：sdrssdssdsqrsssdrsdssdssdsqrsssdrsdrsrrsiTLdtdiLuiLTiRdtdiLuiLTiLLRLR11将上式代入（15）的第一个式子得：sdrssdssqrsssdrsdiTLdtdiLiLTdtd1··········（16）稳态时，式（16）变为：sqrssrsdssdiLTiL··················（17）由式（16）和式（17）可以看出异步电机按定子磁场定向控制方法的数学模型中，定子磁链并不是只由sdi单独产生，还包含有sqi的成分。对比异步电机按转子磁场定向的推导结果,可以发现异步电机按定子磁链定向控制的数学模型具有以下特点:1、在异步电子按定子磁场定向中,由电压方程看出转子电阻参数没有直接出现,由于转子电阻具有难观测性,所以异步电机按定子磁场定向控制便克服了对转子电阻参数的严重依赖性。2、在异步电机按转子磁场定向时,励磁电流仅仅受定子电流的励磁分量的影响,但是在异步电机按定子磁场定向时,定子电流的励磁分量sdi、转矩分量sqi都影响到定子磁链。因此,异步电机按定子磁场定向与按转子磁场定向相比,定子磁链必须采用闭环控制以抑止定子电流的不同分量对磁链的影响。3、在异步电机按定子磁场定向控制的模型中,定子电流虽然可以分解为转矩分量sqi和励磁分量sdi,但是电机的动态模型仍然存在交叉耦合,如果仍然按照电流解耦,会造成系统比较复杂,而且会受到来自转子参数的影响。4、控制电机的转速的根本就是控制电机的转矩,虽然异步电机按定子磁场定向控制与按转子磁场定向控制相比降低了对转子参数的依赖性,但是却容易受到定子电阻sR的影响。在上面的推导和分析中都是假设异步电机定子电阻sR是恒定不变的,并没有考虑当定子电阻sR变化时系统会受到什么影响。为了提高异步电机按定子磁场定向系统的性能和鲁棒性,必须避免定子电阻对系统造成的影响。由式（16）和（17）可以知道在按定子磁场定向控制的模型中含有sqi对sd的耦合，系统的动态性能会受到一定程度的影响。因此，按定子磁场定向控制有两种方法，一种就是对电流进行解耦，另一种是不进行解耦而转用电压模型来控制。首先来讨论用加入解耦器的方法，为了消除转矩控制时对磁链的影响，在磁链控制d轴通道中往往会设计一个解耦器。要消除式中的q轴电流的耦合影响，需要引入一个解耦分量dqi，设)(*sdsdIPsdkidqi·················（18）其中，*sd为系统给定的定子磁链；sd为系统定子磁链观测估计值；因此，)(*sdsdIPk就是磁链调节器的输出。把（18）式代入（17）式中得到：sqmsrdqssdiLTiL)(L)-(kssd*sdIP······（19）只要使0)(LssqmsrdqiLTi，就可以消除q轴电流的耦合影响。下图是加解耦器的定子磁场定向控制部分框图：图1加解耦器的定子磁场定向控制从图1中可以看出，对于定子磁链的控制，给定磁链*sd与观测磁链s之差经PI调节器的输出，再加上解耦器输出*dqi，便可得到d轴电流信号*sdi。当估计磁链出现偏差时，通过PI调节器输出变量会改变d轴的输入电流，从而实现对定子磁链的控制。但是，磁链控制通道中的PI调节器的引入，使磁链控制变量的输出有一定的延时，0)(LssqmsrdqiLTi的条件将被破坏，耦合便不能完全消除，在动态过程中会出现解耦器不能完全补偿q轴电流对磁链的影响，定子磁链将出现一定的波动，这是该控制方法不可避免的缺点。另外，加入耦合器控制会使系统变得比较复杂，因此可以改用电压模型，按定子磁链幅值变化率即直轴电动势控制，采用定子电压补偿可直接控制直轴电动势。dsdsdssdeuiRdtd··················（20）sdssdsdsdsdiRdtdiReu***··············（21）异步电机按定子磁场定向控制的系统结构框图如图2所示。根据定子磁