引用本文

潘月斗, 王国防.基于中立型系统理论的感应电机高精度磁链观测器研究.自动化学报, 2020, 46(10): 2109-2120 doi: 10.16383/j.aas.c180563

Pan Yue-Dou, Wang Guo-Fang. Research on high precision flux observer of induction motor based on neutral system theory. Acta Automatica Sinica, 2020, 46(10): 2109-2120 doi: 10.16383/j.aas.c180563

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c180563

关键词

感应电机，中立型理论，线性矩阵不等式，磁链观测，观测精度 

摘要

针对感应电机交流传动控制系统磁链观测模型不精确, 忽略控制中的延时问题, 转子磁链观测一般具有观测精度不高、易受电机参数变化影响等问题, 运用中立型理论, 建立中立型感应电机观测模型, 提出一种基于中立型的转子磁链观测方法, 设计了中立型转子磁链观测器.该磁链观测器具有观测精度高、受电机参数变化影响小、鲁棒性好的优点, 通过建立精确的观测模型, 解决控制中延时问题对磁链观测精度的影响.对感应电机中立型磁链观测模型进行了稳定性分析.仿真和实验结果证明了所设计中立型转子磁链观测器的可行性和有效性.

文章导读

感应电机交流传动系统广泛应用于各工业领域, 其中新能源汽车等场合普遍采用转子磁链定向的控制方式, 获得精确的转子磁链是实现交流传动系统高性能控制的关键[1].矢量控制策略是当前应用最为广泛的感应电机控制方法, 虽然采用矢量控制的感应电机交流传动系统具有很好的控制性能, 但在设计控制器过程中需要精确的电机参数来实现定、转子控制的解耦.无论是感应电机转子磁链定向矢量控制, 还是其他的非线性控制策略, 都需要转子磁链矢量的幅值和相位[2].转子磁链矢量的检测和获取方法分为直接法和间接法.直接法是在感应电机定子内表面装贴霍尔元件或者在电机槽内埋设探测线圈等直接检测转子磁链, 但由于工艺和技术难度较大, 实际的矢量控制系统中不适用直接法[3].间接法是检测感应电机的定子电压、电流及转速等容易获得的物理量, 利用转子磁链观测模型, 实时计算转子磁链的幅值和相位[4].而由于观测模型不够精确, 控制系统中的延迟问题以及电机参数变化的影响等, 使提高转子磁链观测精度成为提高交流传动系统控制性能的关键问题之一.

为了提高转子磁链观测的精度, 很多专家学者不懈努力, 进行了深入的研究.提出了电压模型法和电流模型法的转子磁链观测器、U-I法磁链观测器、全阶磁链观测器、扩展卡尔曼滤波器、自适应观测器和滑模观测器等方法[5-13].电压模型法模型结构简单, 计算过程是纯积分, 其估算结果受积分初值和输入信号的直流偏移影响很大, 导致结果存在误差, 且电压模型法依赖电机的定子电阻参数, 其受温度等因素影响较大, 也会产生估算误差[5].电流模型法依赖电机的定子电流和转速参数, 同时磁链估算过程需要转子参数, 鲁棒性差[6].电压模型法和电流模型法都是基于开环算法的磁链估算, 观测精度受限.文献[7]提出了一种基于改进U-I法的磁链观测方法, U-I法不需要转速和转子参数, 具有较好的鲁棒性, 但其对定子电阻的摄动较敏感且存在积分漂移, 造成观测误差.文献[8]提出了一种全阶磁链观测器设计方法, 通过观测得到的电机转速等相关参数, 设计合理的估算模型, 得到磁链观测值, 设计过程的极点配置以及受电机参数影响较大, 限制了其观测的精度.文献[9]提出了一种基于扩展Kalman滤波器的转子磁链观测方法, 能够有效减少噪声对磁链观测精度的影响, 但其对参数变化的敏感性及估算过程需要大量的数学计算, 限制了其在实际工程中应用.文献[10]提出了一种基于模型参考自适应系统的自适应磁链观测方法, 改善磁链观测的精度, 但其受系统参数影响较大.文献[12]提出了一种非线性滑模磁链观测方法, 具有较强的抗干扰性, 但其存在的抖振问题无法消除, 极大地限制了其使用范围.

转子磁链幅值和相位的准确估计是构建感应电机交流传动矢量控制系统的关键环节.磁链幅值估计实现系统的磁链控制, 转子位置观测实现矢量控制系统的坐标变换, 从而完成感应电机转矩和励磁控制的解耦[14].中立型系统理论是基于中立型延迟系统的一种理论, 而中立型延迟系统是一种能够精确描述延迟系统的模型, 模型中既包括状态延迟, 也包括状态微分延迟, 使得对延迟系统的描述更加精确[15].本文将中立型系统理论应用到感应电机控制系统中, 解决由于观测模型不够精确、系统控制中的延迟问题以及电机参数变化的影响, 导致转子磁链观测精度不高的问题, 实现系统的高性能控制.

图 1  M-T坐标系下中立型转子磁链观测模型

图 2  基于中立型转子磁链观测器的感应电机矢量控制系统仿真模型

图 3  中立型磁链观测方法转速响应图

本文提出了一种基于中立型系统理论的感应电机磁链观测方法, 将中立型延迟系统引入到感应电机磁链观测模型中, 运用线性矩阵不等式理论证明了中立型转子磁链观测器的稳定性.通过仿真分析和实验验证, 得出所提方法有效提高了磁链观测精度, 削弱了电机参数变化对磁链观测精度的影响, 解决系统控制延时对磁链观测的影响问题, 增强了系统观测的鲁棒性, 且该观测方法具有参数自整定, 时效性好, 使用范围广的优点, 证明了所提方法和设计转子磁链观测器的可行性.

作者简介

王国防

北京科技大学自动化学院硕士研究生. 2016年获得河南理工大学电气工程及其自动化专业学士学位.主要研究方向为异步电机先进控制理论及数字化设计. E-mail: hpu wangguofang@163.com

潘月斗

北京科技大学自动化学院副教授, 2001年获天津大学电力电子与电力传动自动化专业博士学位.主要研究方向为交流电动机智能控制理论及高速高精交流电动机驱动系统的计算机数字控制系统设计及其应用.本文通信作者. E-mail: ydpan@ustb.edu.cn