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1、探讨直接转矩控制中磁链观测方法文章来源 毕业论文网 摘要：在三相异步电机的直接转矩控制算法中，定子磁链观测是核心部分，它的性能优劣直接决定了系统的控制性能。本文首先对经典直接转矩控制中基于U-I 模型的磁链观测器进行了研究，通过理论分析和仿真实验指出了其不足；在此基础上，对目前比较流行的磁链补偿方法进行了深入研究，全面分析了其优缺点。关键词：直接转矩控制；定子磁链观测；低通滤波器；磁链补偿1 引言直接转矩控制是继矢量控制以后诞生的一种高性能的交流调速方法，在1985 年由德国教授M.Depenbrock 首先提出。从诞生之日起，直接转矩控制就以其控制结构简单、算法易于实现、对电机参数依赖小以
2、及转矩和磁链响应快速准确等等特点，受到业界的极大重视，被公认为交流调速领域未来发展的主流。经典的直接转矩控制思想可以简单概括为：根据转矩、磁链的实际值和给定值之间的误差方向,通过滞环比较器产生控制信号。根据这些控制信号以及扇区信息，选择合适的基本电压空间矢量进行输出，从而控制转矩和磁链按设定的状况变化12。从以上介绍可以看出，定子磁链观测是整个直接转矩控制系统的核心，它决定了定子磁链的幅值、相角以及电磁转矩的获得。因此，定子磁链观测器的性能优劣将直接决定系统的实际控制效果。2 基于U-I 模型的磁链观测器的性能分析在经典的直接转矩控制中，计算定子磁链采用了如式（1）所示的U-I 模型2。&Ps
3、i;s = ∫(Us ? Rs ?is )dt 式（1）从式（1）可以看出，基于U-I 模型的定子磁链观测器有两个明显的优点：（1）计算磁链时不需要复杂的电机参数，只需要定子单相电阻一个参数，而定子单相电阻是最容易获得的参数。（2）计算时只需要一个积分器，方法简单明了，非常容易实现，特别是在基于DSP 的数字控制系统中。这也是经典直接转矩控制算法结构简单易于实现的一个重要特征。但是，在实际的应用中，纯积分器存在非常大的缺陷：一是积分器本身存在积分初值问题。根据基本的数学知识可以知道，在对正弦信号进行积分的时候，如果积分初值不能选在正弦信号的峰值点，那么输出的积分结果中会加入一个直流分量
4、，而不是以横轴对称的；二是积分器会将采样噪声、直流偏置等误差不断积累，使输出结果发生偏差，产生积分饱和现象。具体来说，积分器的极点位于S 平面的原点，这就决定了积分器对于采样中的直流偏置和定子电阻的变化十分敏感，特别是在低速时，由于定子电阻上的压降非常明显，造成了实际观测的误差3。而且，由于在实际中积分器的输入必然存在一定的误差，误差经过积分器的积累，会使磁链的观测值中带有较大的直流偏移，这在实际的电机运行中是不应该存在的。在Matlab/Simulink 中建立纯积分器的仿真模型，输入为峰-峰值10，角频率5rad/s 的正弦信号，同时在输入中加入幅值为0.01 的直流偏置，输出结果如图1
5、所示。黄色的波形为理想积分器的输出，紫色的波形为在输入中加入直流偏置后的输出波形。从图中可以清楚地看到，紫色的输出波形在直流偏置的影响下已经偏移了理想的输出结果，而这只是在仿真有限的时间内。在实际中可以预见，一点点微不足道的干扰噪声的加入都会被积分器不断累积，影响输出结果，最终使积分器饱和。因此，虽然纯积分器具有两个明显的优点，但是它本身两个重大缺陷会使得在实际应用中磁链的观测效果大受影响，特别是在电机运行的低速区间，这种由纯积分器带来的影响更加突出，严重影响了控制性能，必须对其进行改进，才能应用于实际。纯积分器输出波形Fig1 The output waveform of a pure in
6、tegrator3 基于低通滤波器的磁链观测器性能分析基于纯积分器的两个致命缺陷，最普遍的做法是在磁链观测器中用低通滤波器来代替纯积分器。对于低通滤波器来说，相比于纯积分器有两个突出优点：一是低通滤波器可以很好地解决积分初值问题，而且可以在一定程度上消除直流偏置和采样噪声对输出结果的影响；二是低通滤波器在DSP 中很容易被数字实现。但是对于低通滤波器，它本身仍然存在两个非常大的问题：幅值、相位的偏差以及截止频率的选择。我们知道，对于定子磁链的计算公式（1），它在频域的表达式如式（2）所示。s s sseU IRjω?Ψ = 式（2）如果用低通滤波器代替了纯积分环节，那么定子
7、磁链的计算公式在频域的表达式如式（3）所示。 s s sse cU IRjω ω?Ψ =+式（3）其中， s Ψ 表示采用低通滤波器得到的观测值， s Ψ 表示定子磁链的理想值， eω 表示电机稳态运行时的角频率， cω 表示低通滤波器的截止频率。将式（3）整理变形，可得式（4）。2 2 s s s ( )s c ee cU I R ω jωω ω?Ψ = ?+式（4）其中，令s s Ψ = Ψ ∠θ ， s s Ψ = &
8、Psi; ∠θ ，可以得到式（5）。2 2 12( )( )s es e cωθ θ φω ωΨ∠ ? = ∠Ψ +式（5）， arctan2ecπ ωφω= ? 。可以看出，在c e ω =ω 的时候，定子磁链矢量观测值和实际值的幅值比为1/ 2，相位差为π / 4。就是用低通滤波器代替纯积分器的仿真结果。其中：输入仍然为峰峰值为10，角频率为5rad/s 的正弦信号；黄色的波形为理想积分器的输出波形；紫色和蓝色的波形为输入中加入幅值为0.01 的直流偏置后，用低通滤波器代替积分器以后的输出波形，