電動(dòng)機控制中的高精度建模技術(shù)

1 概述

以變頻器和伺服器為典型的可變速電動(dòng)機控制用電力電子(PE)裝置，隨著(zhù)半導體器件制造技術(shù)、電路封裝技術(shù)的進(jìn)步而不斷向高性能化、小型化、輕量化方向發(fā)展。在這些硬件技術(shù)提高的同時(shí)，電動(dòng)機控制技術(shù)也在不斷提高。圖1所示為通用變頻器中速度控制范圍(調速比)的擴展。對于最簡(jiǎn)單的V/f控制，模型簡(jiǎn)化，即使電動(dòng)機參數未知，也適用于大部分感應電動(dòng)機的驅動(dòng)，速控范圍約1∶10;而矢量控制時(shí)，要求具有精確的模型和正確的電動(dòng)機參數，并配置速度傳感器，其調速比已擴展到1∶1 000，15年間通用變頻器的調速范圍約提高了10倍。

控制性能的提高，基于建立高精度的模型。在CPU(中央處理單元)初始性能階段，用于控制的電動(dòng)機模型必須簡(jiǎn)單。僅在CPU 性能提高以后，才有可能使用高精度的模型。這不僅與CPU和功率半導體器件、傳感器等硬件的發(fā)展有關(guān)，而且也涉及到電動(dòng)機控制技術(shù)的進(jìn)步。

如原來(lái)那樣，將電動(dòng)機的電路方程式作為模型使用，理論上可適用于異步電動(dòng)機和同步電動(dòng)機的矢量控制。但是，因溫度、磁飽和導致電動(dòng)機參數的變化，高次諧波、鐵損的影響等，仍然是產(chǎn)生誤差的主因。

在異步電機控制研究中，建立電機的動(dòng)態(tài)數學(xué)模型時(shí)為方便分析，為便于列出其基本方程式，通常忽略電機的鐵損。但電機鐵損是真實(shí)存在的。研究表明采用高硅鋼片做鐵心材料的大型電機，其鐵損約為銅損的10%~20%，而采用較厚普通硅鋼片的小容量電機，鐵損則可達到銅損的50%;此外，在精確異步電機矢量控制中，鐵損的存在將影響定子電流中勵磁電流分量與轉矩電流的解耦，造成磁場(chǎng)定向偏差，影響控制精度。故采用忽略鐵損的電機模型來(lái)研究其控制系統，就有可能導致研究結果的不準確。對于精確矢量控制及其相關(guān)控制的仿真研究，電機模型的準確性直接影響仿真結果的可靠性。

在電動(dòng)機控制領(lǐng)域，由于實(shí)時(shí)模擬器的引入，提高了開(kāi)發(fā)效率。用實(shí)時(shí)操作的仿真裝置代替實(shí)際的電動(dòng)機和變頻器，以達到實(shí)驗驗證的高效化。而且，近年來(lái)在廣泛應用的實(shí)時(shí)仿真裝置等虛擬的開(kāi)發(fā)環(huán)境中，為提高與實(shí)際設備(真機)的等值性，務(wù)必構建高精度的模型。也即，要結合電磁分析、考慮電動(dòng)機結構而建立的模型。電動(dòng)機模型的高精度化，則可充分顯示電機控制技術(shù)的新發(fā)展。

本文對高精度模型及電動(dòng)機控制的有關(guān)研究予以闡述。

2 電動(dòng)機的控制與模型

現代交流變頻調速技術(shù)中，磁場(chǎng)定向的異步電動(dòng)機矢量控制技術(shù)實(shí)現了轉矩和磁鏈的解耦，使異步電動(dòng)機的調速性能達到直流調速水平?？墒窃谑噶靠刂扑惴ㄖ?，電機的磁鏈瞬時(shí)值不能直接測量，需根據定子電流、電壓瞬時(shí)值和電機參數推算。電機參數設定不準會(huì )帶來(lái)定向誤差，破壞解耦關(guān)系，因而影響調速性能。

2.1 電動(dòng)機的控制方式

為易于理解模型在電動(dòng)機控制中的作用，現以感應電動(dòng)機的控制方式為例說(shuō)明之。感應電動(dòng)機控制方式中最簡(jiǎn)單的是V/f控制。當改變頻率(f)時(shí)使輸出電壓(V)與f的比值固定不變，從而保持勵磁電流恒定。在這一V/f 控制下，僅用勵磁電感和2 次阻抗建立電動(dòng)機模型，而未考慮過(guò)渡項，這就更加簡(jiǎn)化了正常狀態(tài)下作為感應電動(dòng)機模型的T 型等值電路。V/f控制時(shí)，模型中忽略了電動(dòng)機一次線(xiàn)圈因電壓降而導致的實(shí)際有效電壓下降，故在低速范圍內，其特性劣化。

與此相應，矢量控制仍以電動(dòng)機電路方程式作為模型使用。例如在固定的正交d-q 軸上，通過(guò)式(1)建模。

采用式(1)的數學(xué)模型進(jìn)行無(wú)傳感器矢量控制時(shí)，適應磁通觀(guān)測器的結構如圖2所示。我們使用的是由電動(dòng)機電路方程式式(1)經(jīng)變形后得到的動(dòng)態(tài)方程式(2)。

控制對象為感應電動(dòng)機，控制中所用的感應電動(dòng)機模型由式(2)表示。如果電動(dòng)機參數相符的話(huà)，對應于相同輸入s的輸出is是相同的。故若在相互輸出誤差接近零的控制下，動(dòng)態(tài)變量的磁通椎在t=肄時(shí)是相等的，感應電動(dòng)機的磁通則可求知。

如上所述，電動(dòng)機模型達到了與電路方程式等值的水平。但隨著(zhù)市場(chǎng)需求的不斷提高，還要求進(jìn)一步改進(jìn)與開(kāi)發(fā)建模技術(shù)。

2.2 自整定技術(shù)

從上節看到，控制方法越先進(jìn)，越需要正確的電動(dòng)機參數，為得到準確的電動(dòng)機參數，則要求實(shí)現自動(dòng)調諧(自整定)，即根據速度和負荷的變化，自動(dòng)調整控制系統的參數，使系統具有快速的動(dòng)態(tài)響應。

自整定技術(shù)分為離線(xiàn)式(off-line)和在線(xiàn)式(online)兩種，離線(xiàn)式自整定是變頻器本身在離線(xiàn)情況下，具有測定、記憶電動(dòng)機參數的功能。由離線(xiàn)式自整定測定的電動(dòng)機參數參用于驅動(dòng)電動(dòng)機時(shí)，因損耗導致溫度升高的不同測定條件和不同溫度，使測定的電動(dòng)機參數與實(shí)際的電動(dòng)機參數有誤差，系統運行后不能實(shí)時(shí)修改系統參數，因而劣化了控制性能，不能達到最佳控制特性。目前，電機參數離線(xiàn)自測定已被應用。而電機運行中，隨著(zhù)集膚效應的影響，轉子電阻和時(shí)間常數將發(fā)生較大變化，影響磁鏈定向和算法控制精度。因此，需要在矢量控制算法中，加入有效可行的轉子參數在線(xiàn)辨識算法，以實(shí)現完全解耦控制。

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