基于電壓型磁鏈觀測器的異步電機矢量控制學習

導讀：本期主要介紹電壓型磁鏈觀測器（voltage flux observer）在靜止坐標系下的表現(xiàn)形式，應用在異步電機矢量控制系統(tǒng)中。

一、引言

磁鏈估計是高性能交流感應電機調速系統(tǒng)中的重要組成部分。而磁鏈在實際應用中一般不用傳感器直接檢測，所以現(xiàn)代交流電力傳動控制系統(tǒng)常用磁鏈估計模型來估算磁鏈。在電機運行過程中，要考慮磁飽和、溫度等干擾信號對電機參數(shù)造成偏差的影響，所以如何在電機全速范圍內獲得準確的磁鏈即提高磁鏈觀測器的參數(shù)魯棒性成為眾多學者的研究內容。

轉子磁鏈觀測器利用定子電壓、定子電流或轉子轉速信號觀測出轉子磁鏈的相位和幅值。如果轉子磁鏈的相位觀測不準，那么定子電流的勵磁分量與轉矩分量就不能實現(xiàn)完全的解耦，可能會造成系統(tǒng)的振蕩甚至不穩(wěn)定。如果觀測出轉子磁鏈的幅值偏大，會使得電機運行在弱磁狀態(tài)，減小電機的帶載能力；如果觀測出轉子磁鏈的幅值偏小，會導致過大的勵磁電流，使電機的鐵心飽和，嚴重時還會導致繞組過熱而燒壞電機。因此決定整個矢量控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的最為關鍵環(huán)節(jié)就是轉子磁鏈觀測器。

二、電壓型轉子磁鏈觀測器

在靜止坐標系下基于電壓模型的轉子磁鏈向量表達式如下：

從上式可以發(fā)現(xiàn)電壓型觀測器具有以下特點：

（1）該模型與轉子電阻Rr無關，且不需要電機轉速 信息，適合用于無速度傳感器矢量控制；

（2）包含一純積分項，被積項的初始相位與直流偏置都會影響積分結果；

（3）低速時觀測器性能較差。因為低速時給定的定子電壓幅值小，電機端電壓難以精確獲得，定子電阻的阻值在運行過程中又會發(fā)生變化，使得被積項產(chǎn)生明顯的相對誤差。

針對電壓模型磁鏈觀測器包含純積分環(huán)節(jié)和低速性能差的問題，主要有三個改進措施：

(1) 采用其他環(huán)節(jié)來替換純積分環(huán)節(jié)，例如用一階低通濾波環(huán)節(jié)，針對一階低通濾波環(huán)節(jié)會帶來幅值和相位的誤差以及無法消除直流偏置影響的問題，現(xiàn)有文獻提出了許多改進型的積分器；

（2）對逆變器的非線性誤差電壓進行補償。逆變器的驅動信號中存在的死區(qū)時間、開關管的導通壓降和開通關斷時間都會使得逆變器的參考電壓和實際輸出電壓產(chǎn)生一定誤差，尤其在低速時，由于給定電壓的幅值小，重構的定子電壓與實際值的相對誤差變得尤為明顯。如何盡可能地減少給定電壓與逆變器輸出實際電壓的誤差不單是電壓模型磁鏈觀測器的問題，這是所有用到定子電壓的磁鏈觀測器共性問題。

（3）加入定子電阻的在線辨識，使得在控制系統(tǒng)的運行過程中定子電阻參數(shù)能夠跟隨其實

際值變化。

三、模型搭建

圖1 基于電壓模型的異步電機矢量控制系統(tǒng)仿真

圖2 電壓型轉子磁鏈觀測器模型搭建

圖3 仿真波形變化情況

四、總結

傳統(tǒng)的電壓型磁鏈觀測器包含純積分環(huán)節(jié)，在低速區(qū)域存在初始值問題和直流偏置的問題，對電機參數(shù)敏感。針對這些問題，下期文章將介紹一種濾波器串聯(lián)的方法來替換純積分環(huán)節(jié)來解決初始值誤差和直流偏置的問題。

審核編輯：湯梓紅