電動(dòng)機控制中的高精度建模技術(shù)

2.3 實(shí)時(shí)模擬裝置

實(shí)時(shí)模擬器是將PE裝置的滋s級現象與電動(dòng)機及負荷等的秒—分級現象同時(shí)處理的裝置。由于以前就采用了對電力系統瞬時(shí)值的實(shí)時(shí)分析計算，也由于迄今CPU 及數字模擬技術(shù)的進(jìn)步，在電動(dòng)機控制領(lǐng)域中，正在不斷推廣應用實(shí)時(shí)模擬裝置。

圖3為實(shí)時(shí)模擬裝置的應用形式。圖3(a)是對變頻器和電動(dòng)機進(jìn)行的實(shí)時(shí)模擬，能代替實(shí)際設備用于控制器的試驗。優(yōu)點(diǎn)是在沒(méi)有實(shí)際設備時(shí)也能完成試驗，容易設定實(shí)驗條件以及可進(jìn)行危險性試驗等。

圖3(b)為實(shí)時(shí)執行的控制算法，驅動(dòng)實(shí)際的變頻器和電動(dòng)機，被稱(chēng)為快速設計原型(prototyping)，即使未試制出專(zhuān)用的原型，也能實(shí)時(shí)試驗。最近的實(shí)時(shí)模擬裝置，與通常的數字仿真一樣使用方便，能進(jìn)行實(shí)時(shí)試驗，取樣周期為50 滋s左右。由于采用了FPGA(場(chǎng)可編門(mén)陣列)等，能實(shí)現10 滋s以下的高速化。今后在速度上將繼續提高，可望進(jìn)一步擴大應用范圍。

高精度的模型提高了與真機的等值性，這與提高實(shí)時(shí)性縮短運算時(shí)間二者之間存在折衷關(guān)系。因為在實(shí)時(shí)模擬裝置中模型的重要性，故著(zhù)重要求提高模型的精度和性能。

3 模型的高精度化

3.1 有關(guān)模型的課題

可變速電動(dòng)機驅動(dòng)中，作為模型高精度化的一個(gè)例子，選取永磁式同步電動(dòng)機，以勵磁作用的磁通方向為d軸，與其正交的方向為q 軸。把模型置于dq軸組成的旋轉坐標系中，優(yōu)點(diǎn)是可將電壓與電流作為直流來(lái)處理。

這一模型由于其處理簡(jiǎn)單而多被采用。但在抑制電動(dòng)機控制中產(chǎn)生的轉矩脈動(dòng)時(shí)，以及優(yōu)化變頻器和電動(dòng)機整個(gè)系統的損耗時(shí)，仍按式(3)建模就不適用，必須將模型的參數作表格化之類(lèi)的處理改進(jìn)，這種場(chǎng)合下存在以下三個(gè)課題。

1)模型參數的提取由上式可知，電動(dòng)機的模型是用電路方程式描述的，但不能反映電動(dòng)機的結構及鐵心等材料的特性。因此，為獲得詳細的模型參數，需要測定真機的電氣特性。

2)模型的工作范圍在特定的電壓、電流、轉速條件下，若求得模型參數，只要測定一點(diǎn)就行，但變速電動(dòng)機驅動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機的電壓、電流、轉速均在0~100%以上的范圍內變化，模型參數的電壓、電流、轉速之間存在相互依賴(lài)性問(wèn)題。故在條件改變下進(jìn)行測定，須按照依賴(lài)性列出的表格或按近似式來(lái)模擬參數的變化。

3)高次諧波的影響為對附加于基波特性上的轉矩脈動(dòng)進(jìn)行模擬，應考慮諧波成分的影響，掌握了椎fa 與轉子位置的依存關(guān)系，才能將轉矩脈動(dòng)簡(jiǎn)易地模型化。

本文提出了與電磁場(chǎng)分析結合的方法，以解決上述課題。藉電磁場(chǎng)分析求知電動(dòng)機參數之間的依賴(lài)關(guān)系。由此，盡管采用目前的d-q 軸模型，也能提高模型的精確度。

從表1可見(jiàn)，電動(dòng)機模型高精度化的概況，不僅要求改進(jìn)現有的d-q 軸模型，而且要求由電動(dòng)機模型能反映其結構與材料特性的精確模型，因這樣的模型用于PE系統的控制分析，裝入與d-q 軸模型同樣的控制程序后，就能容易與控制模擬器和電動(dòng)機電路模擬器組合。

3.2 與電磁場(chǎng)分析的結合

由上節所述，與電磁場(chǎng)分析結合的電動(dòng)機模型可取得高精度化的成果，通過(guò)電磁場(chǎng)的分析，因能對永磁電動(dòng)機負載時(shí)的交鏈磁通進(jìn)行分析，故可計算出基于磁通方程式(4)的電感值。

在這種情況下，由磁體產(chǎn)生的磁通

，與由d軸電流產(chǎn)生的磁通LdId不能分離，故進(jìn)行了對微小改變d軸電流的分析，并假定相應這一微小變化導致磁飽和的影響相同。由兩個(gè)分析結果可將

與LdId分離。若按此法，能考慮到磁飽和的影響，并求知與電流有依賴(lài)關(guān)系的電動(dòng)機參數

、Ld、Lq。因此，采用這些參數，與固定參數的模型比較，可在更廣的范圍內達到高性能。

這一方法能用于可變速電動(dòng)機驅動(dòng)用PE 裝置系統的最佳化，圖4 所示為一例。藉電磁分析求得高精度的電動(dòng)機參數;藉控制及電路的模擬，能進(jìn)行控制系統的最佳設計及電路損耗的計算。此時(shí)，還要求計算流過(guò)電動(dòng)機的電流波形及其相位，在此基礎上進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，則可計算出電動(dòng)機的轉矩、電壓、損耗，特別是由變頻器載波電流導致的鐵損(漂移負荷損耗)也能計算。因此，對圖4所示的一連串分析、計算以后，可獲得高精度控制特性的同時(shí)，又求得了變頻器和電動(dòng)機的損耗。在真機沒(méi)有試制之前，僅作分析就可實(shí)現系統的優(yōu)化。

4 結語(yǔ)

可變速電動(dòng)機驅動(dòng)用PE 裝置的控制性能正在逐年提高，使用電動(dòng)機的模型仍屬于按電路方程式建模水平。隨著(zhù)市場(chǎng)需求的提高，今后，對自整定技術(shù)的高精度化，考慮電動(dòng)機結構特點(diǎn)的模型，以及與電磁場(chǎng)分析的結合等，預計均將進(jìn)一步地改進(jìn)開(kāi)發(fā)。

為實(shí)現可變速電動(dòng)機驅動(dòng)用PE 裝置的高性能化，應減小變頻器輸出電壓的誤差。不僅需要電動(dòng)機的高精度模型，也需要與變頻器或放大器有關(guān)的高精度模型。此外，為控制電動(dòng)機驅動(dòng)負荷的操作，還需要高精度的負荷模型。只有各種模型的高精度化，才能確?？勺兯匐妱?dòng)機驅動(dòng)用PE裝置工作性能的全面提高。