具有电流误差补偿的电压前馈型解耦矢量控制系统精.docx
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具有电流误差补偿的电压前馈型解耦矢量控制系统精
第27卷 第1期2003年2月
武汉理工大学学报（与工程版
JournalofWuhanUniversityofTechnology
（TransportationScience&Engineering
交通科学
Vol.27 No.1Feb.2003
具有电流误差补偿的电压
*
前馈型解耦矢量控制系统
李汉强 刘玉娟 高承伟
（武汉理工大学自动化学院 武汉 430063
摘要:
对电压前馈型解耦矢量控制和电压反馈型解耦矢量控制进行分析比较,前者结构简单,后者控制精度高.为提高前者控制系统精度,提出具有电流误差补偿的电压前馈型解耦矢量控制系统结构,设计控制器,建立系统数学模型,用计算机仿真实验研究控制系统动态特性,定子电阻变化的鲁棒性和控制精度.
关键词:
异步电机;电压前馈型解耦;矢量控制;数学模型;特性研究中图法分类号:
TM301.2
对于电压源驱动的异步电机矢量控制系统,可控制的是定子电压信号,包括频率、幅值和相角.但在矢量控制过程中,得到的是电流信号,经解耦电路进行电压控制.电压解耦型矢量控制系统有间接磁场定向和直接磁场定向两种实现方法.间接磁场定向中无磁链闭环,转子磁链的幅值和相角由控制系统给定值算出称为电压前馈型解耦矢量控制;直接磁场定向控制又称电压反馈型解耦矢量控制,这种矢量控制系统中有转子磁链闭环,必须获得磁链反馈信号才可实现[1～3].文中提出具有电流误差补偿的电压前馈型解耦矢量控制系统.
反馈型解耦矢量控制系统结构相对要复杂得多,它包括磁链、电流、相角的闭环控制,但由于各闭环的调节作用,使得系统对电机参数的依赖性要小得多,控制性能也要比前馈型解耦矢量控制系统要好.为保持电压前馈型解耦矢量控制系统结构简单的优点,克服系统受电机参数影响较大的缺点,文中采用对反馈的定子三相交流电进行坐标变换,变换成dq轴系上正交的直流电,这样对反馈电流进行低通滤波比较容易,采用单一截止频率的一阶低通滤波器就可以了.
电压前馈型解耦矢量控制系统,如果在解耦单元中只使用指令值,当所要求的解耦电压与实际情况不相符合时,会引起转矩的稳态误差偏大或振荡,因此,文中提出在解耦单元中加入一个定子电流设定值与实际值误差的PI调节器.1.1 稳态分析
在稳态运行时,由于控制系统中电流闭环作用,使得电流实际值与指令值相等,此时电压前馈型与电压反馈型解耦效果一样.
1.2 动态分析
在动态过程中,假设转矩电流分量isq发生突变,实际值跟随给定值的变化会有一个时间差,在指令值与实际值不一致时,控制系统解耦出来的
1 两种电压解耦矢量控制系统性能
[3～5]
分析
电压前馈型解耦矢量控制系统和电压反馈型矢量控制系统的核心部分虽然都是定子电压解耦单元,但两个系统之间差别很大.电压前馈型矢量解耦控制系统实际上是对电机模型的逆向推导,没有电流闭环,系统受电机参数影响很大,无法达到很高的控制精度,但控制系统结构简单,容易实现.所以可用于对控制性能要求不高的场合.电压
收稿日期:
200206
20
李汉强:
男,57岁,博士,教授,主要研究领域为运动控制系统研究
・30・
武汉理工大学学报（交通科学与工程版2003年 第27卷
电压与实际值必然会不同.但由于有电流调节器,其输入信号为电流指令值与实际值的误差,电流调节器的输出可对解耦电压进行补偿.
在电压矢量合成中,前馈型超前反馈型,从而使前馈型电压解耦矢量控制系统动态响应比反馈型的要快.电压前馈型解耦系统利用动态过程中交直轴间存在的少量耦合来提高系统的动态响应能力,同时可减少对系统稳态性能的不利影响.
当定子电阻rs值随温度发生变化时,会导致控制器解耦电压指令值与电压实际值不等,也会使定子电流指令值和实际值发生差异,通过电流调节器也可补偿此时的电流差异,减少转矩指令值与实际值的稳态误差.
式中:
r=rr/Lr为转子系数;=1-M2/（L1L2为漏磁系数.
式（4与式（1相比较,在转子侧电压方程式中含有一个微分算子p,因此很容易直接导出矢量控制的关键算式、转子磁链r与转差频率s的算式,这就是该式的最大优点.电机电磁转矩
Te=PM（isq
式中:
P为电机极对数.
电机运动方程
r
=Te-TL
Pdt
式中:
J为转动惯量,TL为负载转矩.
（6
rd
-isdrq/Lr（5
2 矢量控制的基本方程式
以同步角速度1旋转的两相坐标系dq轴下异步电机基本方程式如下.
电压方程
usdusqurdurs+Lsp1LsMp（1-rM
-1Lsrs+Lsp-（1-rM
Mp
Mp1Mrr+Lrp（1-rLr
-1MMp-（1-r
Lr
rr+Lrp
isdisqirdi=
3 控制器设计
3.1 定子电压解耦单元
[3～4]
由式（4定子回路展开得
usd=（rs+Lspisd-1Lsisq+ Mprd/Lr-1Mrq/Lrusq=1Lsisd+（rs+Lspisq+ 1Mrd/Lr+Mprq/Lr
控制,也叫转子磁场定向控制,则=0（*为控制器参数.
由式（4第三行展开得转子磁链模型
prd=-rrd+rMisd
当
*rd
*
*
*
*
*
**rd
（7（8
*rq
把转子磁链r设定在d轴上,此时称为理想矢量
=*r,
（1
式中:
usd,usq为定子dq轴电压;isd,isq为定子dq轴电流;urd,urq为转子dq轴电压;ird,irq为转子dq轴电流;rs,rr为定、转子电阻;Ls,Lr为定、转子等效自感;M为等效互感;1为转子磁链同步角速度;
r为电机角速度;p=为微分算子.
dt
磁链方程
sdLs
0M0isd
sqrd（9
**
在稳态时为恒值控制,则*rd=Misd.
把这些关系代入式（7,（8得定子电压
******
u*sd=rsisd-1Lsisq
*******
u*sq=1Lsisd+（rs+Lspisq
（10（11
从式（10,（11可以看出,在转子磁场定向控制的dq轴系中,构成定子电压直轴分量usd中不仅有定子电流直轴分量Isd产生的电压,还有定子电流交轴分量I*sq产生的耦合电压;而在定子电压
*
交轴分量u*sq中不仅有定子电流交轴分量Isq产生
*
=
0M0
Ls0M
0Lr0
M0Lisqirdi（2
的电压,还有定子电流直轴分量Isd产生的耦合电压.为消除异步电机交直轴之间的耦合现象,矢量控制系统中电机直轴电压指令值u*sd中不仅包含对Isd的控制,还要包含对Isq的控制.同理,在电
**机交轴电压指令值u*sq中同样要包含对Isd与Isq的
*
*
*
由于异步电机转子侧短路,则
urd=urq=0 把式（2,（3代入式（1得
usdudq00
=
rs+Lsp1Ls-rM0
-1Lsrs+Lsp
0-rM
Mp/Lr1M/Lrr+p1-r
-1M/LrMp/Lr-（1-rr+p
（3
isdisq
rd控制.
另外,在式（10,（11中,有定子电阻rs项,它易受温度变化的影响,同时在式（11中,交轴电i*
*
第1期
李汉强等:
具有电流误差补偿的电压前馈型解耦矢量控制系统
・31・
项对干扰特别敏感,容易引起电机的干扰电压,因此文中在电压前馈型解耦控制基础上增设dq轴电流的指令值与实际值的误差进行PI调节以达到消除微分干扰和定子电阻受温度变化干扰的目的.具有电流误差补偿的定子电压解耦单元结构如图1所示
.
最终目标是要求电机按给定转速值运行.为使电机在调速过程中快速响应,采用PI控制.转矩电
*
流分量i*sq可以用电机角速度给定值r与实际值
r经比例积分运算获得
i*sq=（Ks+
s
（*r-rTsS
（17
4 控制系统结构
由式（12～（17可画出具有电流误差补偿的电压前馈型解耦矢量控制系统的结构如图2所示
.
图1 改进后的电压前馈型解耦单元
改进后的电压前馈型解耦单元数学模型I
（i*sd-isd+TIS*****
r*sisd-1Lsisqu*sd=（KI+
Iu=（KI+（i*sq-isq+
TIS****
*1Lsisd+rsisq
*sq
（12
图2 控制系统结构图
（13
5 仿真研究结果
仿真实验电机参数
JO2-52-4:
PN=10kW,UN=380V,IN=19.8A,nN=1452r/min,△接法,rs=1.33∀,rr=1.12∀,Ls=0.2942H,Lr=0.3005H,M=0.2865H,isd=7A,J=0.0618kgm.
*
2
3.2 频率控制单元
由式（4展开得电源角频率
*****
*1=r+rMisq/rd=r+s
（14（15（16
转差频率
*******
*s=rMisq/rd=risq/isd
转子磁链r的位置角
*
!
=
∫
*1dt
控制系统数学模型由电动机数学模型和控制
器数学模型两部分组成.式（4～（6为电动机数学模型,式（9,（12～（17为控制器数学模型.根据控制系统数学模型可进行计算机仿真实验.
图3为电机突加负载,负载转矩TL从36Nm2阶跃到66Nm2
时电机转矩和转速动态特
3.3 转矩电流确定单元
矢量控制始终是转矩控制,电动机的瞬时转矩T=Ki,它与速度控制无关.但调速系统的
*e
*sq
a转矩动态特性 b速度动态特性
・32・
武汉理工大学学报（交通科学与工程版2003年 第27卷
性,动态响应时间小于0.5s.图4为定子电阻值变化r*s/rs=1.5倍时速度指令值从1000r/min阶跃到1500r/min时的情况,图4a为有电流误差补偿,图4b为无电流误差补偿时的转矩动态响应.有电流误差补偿时指令值与实际值的相对
稳态误差小于4%,无电流误差补偿时指令值与实际值的相对稳态误差将达36%.显然,文中提出的具有电流误差补偿的电压前馈型解耦矢量控制系统具有良好的动态特性,并对定子电阻变化具有鲁棒性,提高了控制系统的精度
.
a有电流误差补偿 b无电流误差补偿
图4 r*s/rs=1.5
转矩动态特性与稳态误差
TheVoltageFeedforwardDecouplingVectorControlSystemwithCurrentErrorCompensation
LiHanqiang LiuYujuan GaoChengwei（SchoolofAutomation,WUT,Wuhan430063
Abstract
Thispapercomparesthefeedbackvoltagedecouplingvectorcontrolsystemwiththefeedforwardvoltagedecouplingvectorcontrolsystem,Theformerhasasimplestructure,andthelattercangainhighprecisionofcontrol.Inordertoraisetheprecision,afeedbackvoltagedecouplingvectorcontrolsystemisbroughtforward,acontrollerisdesigned,amodelofthesystemisbuilt,simulationiscar-riedouttotestthetransientcharacters,robustnessofthestator'sresistancevariationandthepreci-sionofcontrol.
Keywords:
inductionmotor,feedforwardvoltagedecoupling,vectorcontrol,mathmodel,character
research
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