- 相關(guān)推薦
探討直接轉(zhuǎn)矩控制中磁鏈觀(guān)測(cè)方法論文
在日常學(xué)習(xí)、工作生活中，大家都經(jīng)常接觸到論文吧，論文的類(lèi)型很多，包括學(xué)年論文、畢業(yè)論文、學(xué)位論文、科技論文、成果論文等。你所見(jiàn)過(guò)的論文是什么樣的呢？下面是小編幫大家整理的探討直接轉(zhuǎn)矩控制中磁鏈觀(guān)測(cè)方法論文，供大家參考借鑒，希望可以幫助到有需要的朋友。
摘要：在三相異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制算法中，定子磁鏈觀(guān)測(cè)是核心部分，它的性能優(yōu)劣直接決定了系統(tǒng)的控制性能。本文首先對(duì)經(jīng)典直接轉(zhuǎn)矩控制中基于U-I 模型的磁鏈觀(guān)測(cè)器進(jìn)行了研究，通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)指出了其不足；在此基礎(chǔ)上，對(duì)目前比較流行的磁鏈補(bǔ)償方法進(jìn)行了深入研究，全面分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制；定子磁鏈觀(guān)測(cè)；低通濾波器；磁鏈補(bǔ)償1 引言直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制以后誕生的一種高性能的交流調(diào)速方法，在1985 年由德國(guó)教授M.Depenbrock 首先提出。從誕生之日起，直接轉(zhuǎn)矩控制就以其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法易于實(shí)現(xiàn)、對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴(lài)小以及轉(zhuǎn)矩和磁鏈響應(yīng)快速準(zhǔn)確等等特點(diǎn)，受到業(yè)界的極大重視，被公認(rèn)為交流調(diào)速領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的主流。
經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制思想可以簡(jiǎn)單概括為：根據(jù)轉(zhuǎn)矩、磁鏈的實(shí)際值和給定值之間的誤差方向,通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制信號(hào)。根據(jù)這些控制信號(hào)以及扇區(qū)信息，選擇合適的基本電壓空間矢量進(jìn)行輸出，從而控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈按設(shè)定的狀況變化[1][2]。
從以上介紹可以看出，定子磁鏈觀(guān)測(cè)是整個(gè)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的核心，它決定了定子磁鏈的幅值、相角以及電磁轉(zhuǎn)矩的獲得。因此，定子磁鏈觀(guān)測(cè)器的性能優(yōu)劣將直接決定系統(tǒng)的實(shí)際控制效果。
2 基于U-I 模型的磁鏈觀(guān)測(cè)器的性能分析在經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制中，計(jì)算定子磁鏈采用了如式（1）所示的U-I 模型[2]。
Ψs = ∫(Us ? Rs ?is )dt 式（1）從式（1）可以看出，基于U-I 模型的定子磁鏈觀(guān)測(cè)器有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：
�。�1）計(jì)算磁鏈時(shí)不需要復(fù)雜的電機(jī)參數(shù)，只需要定子單相電阻一個(gè)參數(shù)，而定子單相電阻是最容易獲得的參數(shù)。
�。�2）計(jì)算時(shí)只需要一個(gè)積分器，方法簡(jiǎn)單明了，非常容易實(shí)現(xiàn)，特別是在基于DSP 的數(shù)字控制系統(tǒng)中。這也是經(jīng)典直接轉(zhuǎn)矩控制算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要特征。
但是，在實(shí)際的應(yīng)用中，純積分器存在非常大的缺陷：一是積分器本身存在積分初值問(wèn)題。根據(jù)基本的數(shù)學(xué)知識(shí)可以知道，在對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行積分的時(shí)候，如果積分初值不能選在正弦信號(hào)的峰值點(diǎn)，那么輸出的積分結(jié)果中會(huì)加入一個(gè)直流分量，而不是以橫軸對(duì)稱(chēng)的；二是積分器會(huì)將采樣噪聲、直流偏置等誤差不斷積累，使輸出結(jié)果發(fā)生偏差，產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。
具體來(lái)說(shuō)，積分器的極點(diǎn)位于S 平面的原點(diǎn)，這就決定了積分器對(duì)于采樣中的直流偏置和定子電阻的變化十分敏感，特別是在低速時(shí)，由于定子電阻上的壓降非常明顯，造成了實(shí)際觀(guān)測(cè)的誤差[3]。而且，由于在實(shí)際中積分器的輸入必然存在一定的誤差，誤差經(jīng)過(guò)積分器的積累，會(huì)使磁鏈的觀(guān)測(cè)值中帶有較大的直流偏移，這在實(shí)際的電機(jī)運(yùn)行中是不應(yīng)該存在的。
在Matlab/Simulink 中建立純積分器的仿真模型，輸入為峰-峰值10，角頻率5rad/s 的正弦信號(hào)，同時(shí)在輸入中加入幅值為0.01 的直流偏置，輸出結(jié)果如圖1 所示。黃色的波形為理想積分器的輸出，紫色的波形為在輸入中加入直流偏置后的輸出波形。從圖中可以清楚地看到，紫色的輸出波形在直流偏置的影響下已經(jīng)偏移了理想的輸出結(jié)果，而這只是在仿真有限的時(shí)間內(nèi)。在實(shí)際中可以預(yù)見(jiàn)，一點(diǎn)點(diǎn)微不足道的干擾噪聲的加入都會(huì)被積分器不斷累積，影響輸出結(jié)果，最終使積分器飽和。
因此，雖然純積分器具有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，但是它本身兩個(gè)重大缺陷會(huì)使得在實(shí)際應(yīng)用中磁鏈的觀(guān)測(cè)效果大受影響，特別是在電機(jī)運(yùn)行的低速區(qū)間，這種由純積分器帶來(lái)的影響更加突出，嚴(yán)重影響了控制性能，必須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，才能應(yīng)用于實(shí)際。
純積分器輸出波形Fig1 The output waveform of a pure integrator3 基于低通濾波器的磁鏈觀(guān)測(cè)器性能分析基于純積分器的兩個(gè)致命缺陷，最普遍的做法是在磁鏈觀(guān)測(cè)器中用低通濾波器來(lái)代替純積分器。對(duì)于低通濾波器來(lái)說(shuō)，相比于純積分器有兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：一是低通濾波器可以很好地解決積分初值問(wèn)題，而且可以在一定程度上消除直流偏置和采樣噪聲對(duì)輸出結(jié)果的影響；二是低通濾波器在DSP 中很容易被數(shù)字實(shí)現(xiàn)。
但是對(duì)于低通濾波器，它本身仍然存在兩個(gè)非常大的問(wèn)題：幅值、相位的偏差以及截止頻率的選擇。我們知道，對(duì)于定子磁鏈的計(jì)算公式（1），它在頻域的表達(dá)式如式（2）所示。
s s sseU IRjω?
Ψ = 式（2）如果用低通濾波器代替了純積分環(huán)節(jié)，那么定子磁鏈的計(jì)算公式在頻域的表達(dá)式如式（3）所示。
s s sse cU IRjω ω?
Ψ =+式（3）其中，
s Ψ 表示采用低通濾波器得到的觀(guān)測(cè)值， s Ψ 表示定子磁鏈的理想值， eω 表示電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的角頻率， cω 表示低通濾波器的截止頻率。將式（3）整理變形，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 = Ψ ∠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 的時(shí)候，定子磁鏈?zhǔn)噶坑^(guān)測(cè)值和實(shí)際值的幅值比為1/ 2，相位差為π / 4。
就是用低通濾波器代替純積分器的仿真結(jié)果。其中：輸入仍然為峰峰值為10，角頻率為5rad/s 的正弦信號(hào)；黃色的波形為理想積分器的輸出波形；紫色和藍(lán)色的波形為輸入中加入幅值為0.01 的直流偏置后，用低通濾波器代替積分器以后的輸出波形，其中紫色波形對(duì)應(yīng)的截止頻率為3rad/s，藍(lán)色波形對(duì)應(yīng)的截止頻率為5rad/s。
低通濾波器的輸出波形Fig2 The output waveform of a low-pass filter根據(jù)圖2 可以看到，與純積分器相比，低通濾波器可以更好地消除輸入端直流偏置的影響。但是與理想輸出波形相比，采用低通濾波器后輸出波形產(chǎn)生了幅值和相位誤差，而且隨著截止頻率的增大，幅值和相位誤差也不斷增大，這與前面的理論分析吻合。因此，為了減小幅值和相位誤差，應(yīng)該盡量減小截止頻率。但是，如果過(guò)分減小截止頻率，又會(huì)影響低通濾波器對(duì)直流偏置和噪聲的過(guò)濾性能，無(wú)法體現(xiàn)低通濾波器相對(duì)于純積分器的優(yōu)勢(shì)。因此，在采用低通濾波器時(shí)，截止頻率是一個(gè)矛盾。
從以上分析可以看出，采用低通濾波器來(lái)代替純積分器雖然有自身的優(yōu)勢(shì)，但是同樣它本身存在的問(wèn)題也很多，特別是相位和幅值的偏差，如果不加以改進(jìn)，會(huì)對(duì)實(shí)際的控制性能造成嚴(yán)重的影響。
4 帶補(bǔ)償?shù)拇沛溣^(guān)測(cè)器的原理分析為了解決低通濾波器帶來(lái)的相位和幅值偏差問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和學(xué)者提出了很多方案，其中主流的方法都是基于對(duì)低通濾波器的輸出進(jìn)行相位和幅值補(bǔ)償這一思想[4][5]。通過(guò)補(bǔ)償，可以使得低通濾波器的輸出得到糾正，盡量等效于理想純積分器的輸出，從而減小相位和幅值誤差對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響。
對(duì)低通濾波器的輸出進(jìn)行補(bǔ)償，目的就是在充分利用低通濾波器對(duì)直流偏置的抑制這一優(yōu)點(diǎn)的前提下，盡量減小幅值和相位畸變，使它的輸出接近純積分器的輸出。對(duì)于純積分器，可以用式（6）表示。
y 1 xs= 式（6）對(duì)上式進(jìn)行改寫(xiě)，可以得到一個(gè)等價(jià)的公式，如式（7）所示。
1 cc cy x ys sωω ω= ++ +式（7）其中，右邊第一項(xiàng)表示的是低通濾波器，第二項(xiàng)表示的是用于補(bǔ)償?shù)牧�。由于式�?）和式（7）是等價(jià)的，所以按照式（7）設(shè)計(jì)的磁鏈觀(guān)測(cè)器，既具有低通濾波器可以消除噪聲和直流偏移的作用，也可以保證輸出接近純積分器的輸出，最大程度上減小由于采用低通濾波器而產(chǎn)生的幅值和相位偏差。
根據(jù)式（7），目前比較常用的一種補(bǔ)償方法是基于坐標(biāo)變換的定子磁鏈觀(guān)測(cè)器[4].
中可以看出，這種方法正是基于式（7）來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)�。其中在反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)中，該方法采取了兩相靜止坐標(biāo)系到極坐標(biāo)系的變換及其反變換。坐標(biāo)變換的加入可以分離定子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛徒嵌�，然后利用一個(gè)限幅模塊對(duì)定子磁鏈?zhǔn)噶康姆冗M(jìn)行限制，充分抑制直流偏置帶來(lái)的積分飽和；與此同時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶康南嘟潜３植蛔�。這種方法可以有效地抑制低通濾波器帶來(lái)的相位和幅值偏差，同時(shí)又充分利用了低通濾波器對(duì)直流偏置的濾除作用。
基于坐標(biāo)變換的定子磁鏈觀(guān)測(cè)器框圖Fig3 The block diagram of the stator flux observerbased on coordinate transformation根據(jù)圖3 所示的控制框圖，在Matlab/Simuink 中建立了基于坐標(biāo)變換的定子磁鏈觀(guān)測(cè)器的仿真模型。在仿真實(shí)驗(yàn)中，輸入為互相正交的兩個(gè)正弦信號(hào)，用以模擬反電動(dòng)勢(shì)的α、β分量，其峰-峰值為10，角頻率10rad/s；低通濾波器的截止頻率為5rad/s；在輸入端，人為加入了幅值為0.01 的直流偏置作為干擾。
基于坐標(biāo)變換的定子磁鏈觀(guān)測(cè)器仿真輸出波形圖Fig4 The output waveform of the stator flux observerbased on coordinate transformationhttp://www.paper.edu.cn-5-中國(guó)科技論文在線(xiàn)在中，黃色的波形為理想純積分器的輸出波形，上面一欄中的紫色波形表示低通濾波器的輸出波形，下面一欄中的紫色波形表示基于坐標(biāo)變換的磁鏈觀(guān)測(cè)器的輸出波形。從圖中可以清楚地看到，單純采用低通濾波器代替純積分器后，雖然輸出波形受直流偏置的影響大大減小，但是相比于理想波形相位和幅值都有較大偏差；而采用了基于坐標(biāo)變化的補(bǔ)償方法后，輸出的波形可以在兩個(gè)周期內(nèi)快速跟隨到理想的輸出波形，同時(shí)仍然保持了對(duì)直流偏置較好的抑制。
從上述分析可以看出，在低通濾波器中引入補(bǔ)償措施是非常有必要而且非常有效的。通過(guò)補(bǔ)償，由低通濾波器帶來(lái)的輸出幅值和相位偏差在很短的時(shí)間內(nèi)得到了改善，同時(shí)低通濾波器對(duì)積分初值問(wèn)題以及直流偏置的抑制作用也得到了充分地發(fā)揮。
但是，在引入補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，有一個(gè)問(wèn)題非常重要，那就是限幅模塊的閾值的選擇。在目前的大多數(shù)補(bǔ)償方法中，都必須對(duì)磁鏈?zhǔn)噶康姆颠M(jìn)行限幅，以抑制積分飽和。在選擇限幅閾值的時(shí)候，必須將閾值定義為理想輸出的磁鏈?zhǔn)噶康姆�，不能偏大或者偏小，否則都會(huì)影響輸出波形。為了驗(yàn)證這個(gè)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)中改變輸入的兩個(gè)正交正弦信號(hào)的幅值，仿真結(jié)果如圖5 所示。
基于坐標(biāo)變換的磁鏈觀(guān)測(cè)器針對(duì)不同幅值輸入信號(hào)的輸出波形Fig5 The output waveform of stator flux observer based on coordinatetransformation according to the inputs of different amplitude所示為輸入信號(hào)峰峰值改為20 時(shí)的輸出波形，此時(shí)的限幅模塊閾值（-0.5，0.5）小于理想的磁鏈?zhǔn)噶糠?.0�？梢钥吹�，相比與圖4 中下面一欄限幅閾值跟理想幅值相等的情況，此時(shí)的輸出波形發(fā)生了明顯的幅值和相位畸變。通過(guò)在仿真實(shí)驗(yàn)中多次改變輸入信號(hào)的幅值，可以驗(yàn)證：帶補(bǔ)償?shù)牡屯V波器雖然可以消除幅值和相位畸變，但是應(yīng)用范圍非常窄，必須在限幅閾值跟理想輸出幅值相差不多的情況下使用。
5 結(jié)論通過(guò)本文對(duì)三種不同的磁鏈觀(guān)測(cè)方法的研究和分析，可以看到，經(jīng)典直接轉(zhuǎn)矩控制算法中基于U-I 模型的磁鏈觀(guān)測(cè)器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易，但是由于積分器本身的不足，這種方法并不能應(yīng)用于實(shí)際，必須加以改進(jìn)。采用低通濾波器代替純積分器的觀(guān)測(cè)方法，可以很好地彌補(bǔ)積分器的不足，但是同時(shí)又引入了幅值和相位畸變的問(wèn)題。帶補(bǔ)償?shù)牡屯V波器方法，可以在迅速改善幅值和相位畸變的同時(shí)，發(fā)揮低通濾波器對(duì)積分初值問(wèn)題和直流偏置的抑制作用，同時(shí)原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)明了、易于實(shí)現(xiàn)。但是，受限于補(bǔ)償方法中限幅器的固定閾值，當(dāng)輸入信號(hào)在大范圍內(nèi)變化的時(shí)候，補(bǔ)償效果將會(huì)大打折扣。因此，應(yīng)該繼續(xù)針對(duì)補(bǔ)償措施進(jìn)行更加深入的研究，力求找到適用范圍更廣，更具實(shí)際意義的磁鏈觀(guān)測(cè)方法。
線(xiàn)參考文獻(xiàn)
[1] 李夙．異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001；
[2] 巫慶輝，邵誠(chéng)．直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．信息與控制，2005，34(4)：444-450；
[3] 李磊．異步電機(jī)無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究與實(shí)踐[D]．南京：南京航天航空大學(xué)，2001；
[4] Kuo-Kai Shyu，Li-Jen Shang，Hwang-Zhi Chen．Flux Compensated Direct Torque Control of InductionMotor Drives for Low Speed Operation．IEEE Trans on Power Electronics，Vol．19，NO．6：1608-1614，2004，11；
[5] J HU，B WU．New Integration Algorithms for Estimating Motor Flux Over a Wide Speed Range。
【探討直接轉(zhuǎn)矩控制中磁鏈觀(guān)測(cè)方法論文】相關(guān)文章：
基于Simulink的PMSM模糊直接轉(zhuǎn)矩控制仿真03-07
交通物流成本控制的方法探討11-16
我國(guó)石油企業(yè)本錢(qián)控制方法探討02-28
供應(yīng)鏈管理的內(nèi)生風(fēng)險(xiǎn)分析及控制探討03-22
探討直接德育課的局限性教育論文11-17