電動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機控制用電力電子(PE)裝置，隨著半導(dǎo)體器件制造技術(shù)、電路封裝技術(shù)的進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，電動機控制技術(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(diào)速比)的擴展。對于最簡單的V/f控制，模型簡化，即使電動機參數(shù)未知，也適用于大部分感應(yīng)電動機的驅(qū)動，速控范圍約1∶10;而矢量控制時，要求具有精確的模型和正確的電動機參數(shù)，并配置速度傳感器，其調(diào)速比已擴展到1∶1 000，15年間通用變頻器的調(diào)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，用于控制的電動機模型必須簡單。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(dǎo)體器件、傳感器等硬件的發(fā)展有關(guān)，而且也涉及到電動機控制技術(shù)的進步。

如原來那樣，將電動機的電路方程式作為模型使用，理論上可適用于異步電動機和同步電動機的矢量控制。但是，因溫度、磁飽和導(dǎo)致電動機參數(shù)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，建立電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型時為方便分析，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(zhuǎn)矩電流的解耦，造成磁場定向偏差，影響控制精度。故采用忽略鐵損的電機模型來研究其控制系統(tǒng)，就有可能導(dǎo)致研究結(jié)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(jié)果的可靠性。

在電動機控制領(lǐng)域，由于實時模擬器的引入，提高了開發(fā)效率。用實時操作的仿真裝置代替實際的電動機和變頻器，以達到實驗驗證的高效化。而且，近年來在廣泛應(yīng)用的實時仿真裝置等虛擬的開發(fā)環(huán)境中，為提高與實際設(shè)備(真機)的等值性，務(wù)必構(gòu)建高精度的模型。也即，要結(jié)合電磁分析、考慮電動機結(jié)構(gòu)而建立的模型。電動機模型的高精度化，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機控制的有關(guān)研究予以闡述。

2 電動機的控制與模型

現(xiàn)代交流變頻調(diào)速技術(shù)中，磁場定向的異步電動機矢量控制技術(shù)實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦，使異步電動機的調(diào)速性能達到直流調(diào)速水平。可是在矢量控制算法中，電機的磁鏈瞬時值不能直接測量，需根據(jù)定子電流、電壓瞬時值和電機參數(shù)推算。電機參數(shù)設(shè)定不準會帶來定向誤差，破壞解耦關(guān)系，因而影響調(diào)速性能。

2.1 電動機的控制方式

為易于理解模型在電動機控制中的作用，現(xiàn)以感應(yīng)電動機的控制方式為例說明之。感應(yīng)電動機控制方式中最簡單的是V/f控制。當改變頻率(f)時使輸出電壓(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 次阻抗建立電動機模型，而未考慮過渡項，這就更加簡化了正常狀態(tài)下作為感應(yīng)電動機模型的T 型等值電路。V/f控制時，模型中忽略了電動機一次線圈因電壓降而導(dǎo)致的實際有效電壓下降，故在低速范圍內(nèi)，其特性劣化。

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

采用式(1)的數(shù)學(xué)模型進行無傳感器矢量控制時，適應(yīng)磁通觀測器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。我們使用的是由電動機電路方程式式(1)經(jīng)變形后得到的動態(tài)方程式(2)。

控制對象為感應(yīng)電動機，控制中所用的感應(yīng)電動機模型由式(2)表示。如果電動機參數(shù)相符的話，對應(yīng)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，動態(tài)變量的磁通椎在t=肄時是相等的，感應(yīng)電動機的磁通則可求知。

如上所述，電動機模型達到了與電路方程式等值的水平。但隨著市場需求的不斷提高，還要求進一步改進與開發(fā)建模技術(shù)。

2.2 自整定技術(shù)

從上節(jié)看到，控制方法越先進，越需要正確的電動機參數(shù)，為得到準確的電動機參數(shù)，則要求實現(xiàn)自動調(diào)諧(自整定)，即根據(jù)速度和負荷的變化，自動調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)，使系統(tǒng)具有快速的動態(tài)響應(yīng)。

自整定技術(shù)分為離線式(off-line)和在線式(online)兩種，離線式自整定是變頻器本身在離線情況下，具有測定、記憶電動機參數(shù)的功能。由離線式自整定測定的電動機參數(shù)參用于驅(qū)動電動機時，因損耗導(dǎo)致溫度升高的不同測定條件和不同溫度，使測定的電動機參數(shù)與實際的電動機參數(shù)有誤差，系統(tǒng)運行后不能實時修改系統(tǒng)參數(shù)，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(shù)離線自測定已被應(yīng)用。而電機運行中，隨著集膚效應(yīng)的影響，轉(zhuǎn)子電阻和時間常數(shù)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(zhuǎn)子參數(shù)在線辨識算法，以實現(xiàn)完全解耦控制。

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