基于非線性正交磁鏈觀測器的交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制
張繼勇，袁如明（揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州225009）
摘要：高性能直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的關(guān)鍵之一是磁鏈的準(zhǔn)確觀測，結(jié)合一種適合交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的非線性正交反饋補(bǔ)償定子磁鏈觀測器，該觀測器從確保磁鏈和反電勢正交的角度出發(fā)，保證了電機(jī)在寬運(yùn)行范圍定子磁鏈觀測的準(zhǔn)確性，仿真和實(shí)驗(yàn)表明，該觀測器能在寬速度范圍內(nèi)精確地估算電機(jī)定子磁鏈，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的高性能控制。
關(guān)鍵詞：交流電動(dòng)機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；非線性正交磁鏈觀測器
中圖分類號：TM346 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004 -7018( 2008) 09 -0046 -03
0引 言
交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制( DTC)是一種電機(jī)磁鏈、轉(zhuǎn)矩的直接控制方式，能否對定子磁鏈的幅值、相位準(zhǔn)確觀測，直接影響直接轉(zhuǎn)矩控制效果和電機(jī)運(yùn)行性能。
目前，定子磁鏈觀測方法有以下幾種：①直接計(jì)算法【1-2】，該方法簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但依賴電機(jī)參數(shù)較多，且基于開環(huán)而無補(bǔ)償，會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果隨電機(jī)運(yùn)行工況變化而不準(zhǔn)確；②基于各種觀測器的方法【3-5】，估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)，為使系統(tǒng)全局穩(wěn)定，在不同的運(yùn)行速度范圍觀測器須采取不同增益矩陣。該方法受電機(jī)參教影響很大，需要額外設(shè)置在線狀態(tài)觀測器來實(shí)時(shí)估計(jì)電機(jī)參數(shù)，致使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；③基于反電勢積分方法【6-7】。這種方法僅依賴電機(jī)定子電阻參數(shù)，實(shí)現(xiàn)非常簡單，但是低速性能不好。磁鏈觀測器的設(shè)計(jì)原則是盡量少用或不用電機(jī)本身參數(shù)，避免狀態(tài)觀測隨運(yùn)行狀態(tài)變化。對此，文獻(xiàn)[8]提出三種基于反電勢積分的磁鏈觀測器改進(jìn)方案，第一種方案在實(shí)際運(yùn)行中仍然會有磁鏈直流偏移或者扭曲等問題；第二種方案須特別注意飽和限幅值的設(shè)置，且僅能用于恒磁通控制；第三種方案沒有考慮直接轉(zhuǎn)矩控制下反電勢是非連續(xù)跳變信號這個(gè)實(shí)際情況，因此并不適合DTC運(yùn)行，而且觀測器中還含有PI調(diào)節(jié)器和非線性飽和模塊，增加了調(diào)試難度。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制有其自身的特點(diǎn)，其所加空間電壓矢量并不連續(xù)，是一種離散信號，但其定子電流因繞組電感存在而不能突變，定子電阻壓降也不會突變，故其反電勢也為非連續(xù)的離散信號。針對這種特點(diǎn)，本文結(jié)合了一種新型的適合感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制運(yùn)行的非線性正交反饋補(bǔ)償磁鏈觀測器，通過檢測反電勢和磁鏈的正交程度來控制補(bǔ)償程度，進(jìn)而決定出磁鏈的反饋值。該觀測器算法不含PI調(diào)節(jié)，無飽和限幅模塊，調(diào)節(jié)迅速，易于實(shí)現(xiàn)，能適合恒磁通和弱磁遠(yuǎn)行。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行驗(yàn)證了這種新型磁鏈觀測器的正確性和實(shí)用性。
1傳統(tǒng)反電勢積分器及其改進(jìn)算法
定子磁鏈的傳統(tǒng)反電勢積分算法是：
其中：us、is分別為定子電壓矢量、電流矢量。反電勢積分算法計(jì)算簡單、響應(yīng)快，僅依賴電機(jī)定子電阻****參數(shù)，但缺點(diǎn)非常明顯，因?yàn)闇y量噪聲和測量誤差在一定時(shí)間內(nèi)的積分表現(xiàn)為恒定直流量，引起磁鏈漂移，致使定子磁鏈?zhǔn)噶喀譻。運(yùn)動(dòng)軌跡不再是以原點(diǎn)為中心的一個(gè)圓，此時(shí)電機(jī)定子電流中含有直流分量，影響電機(jī)正常運(yùn)行。此外，初始磁鏈?zhǔn)噶吭O(shè)置準(zhǔn)確與否也影響磁鏈觀測準(zhǔn)確性。
消除純積分器引起的直流漂移******方法是讓按式(1)計(jì)算出的ψs。通過一個(gè)高通波器變?yōu)棣譻 0，如圖1所示。  圖中：es為檢測出的反電勢（us- Ris）。將圖1中的積分環(huán)節(jié)和高通環(huán)節(jié)合并，得到一個(gè)低通環(huán)節(jié)，如圖2所示。圖2表明，反電勢經(jīng)過一階低通濾波后也可以得到磁鏈的觀測值。
式中ωc為截止頻率，ωc =1/τ為時(shí)間常數(shù)。τ值選取對定子磁鏈漂移分量的衰減速度影響很大，τ值越大，直流分量衰減越慢，且對定子磁鏈的基波幅值衰減和相移影響也很大。
高通濾波器的幅頻響應(yīng)為：
可以看出，當(dāng)定子磁鏈的頻率很高時(shí)，信號的幅值衰減及相移均很小，系統(tǒng) |
