电励磁同步电机的磁链观测

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1、http://www.paper.edu.cn电励磁同步电机的磁链观测袁庆庆1,黄哲21中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州（221008）2韩泰轮胎有限公司设备保全T设备企划2U，浙江嘉兴（314000）E-mail：cumxz1215@163.com摘要：磁链观测单元是电励磁同步电机磁场定向控制系统的关键部分。本文在分析传统电压模型的基础上研究了MT轴系感应电势计算磁链的观测器，即新电压模型。理论分析与仿真结果表明，基于新颖的气隙磁链观测器电励磁同步电动机矢量控制解决方案具有良好的控制性能，以及理论与应用价值。关键词：电励磁同步电动机；磁场定向控制；矢量控制；新电压

2、模型中图分类号：TM341文献标志码：A-6-http://www.paper.edu.cn0引言电力电子学、微电子技术以及现代控制理论的快速发展，促进了交流传动的飞速发展。交流调速系统已由交-交变频调速发展为负载换流交-直-交变频调速，进而发展为可关断器件的交-直-交变频调速。对电励磁同步电机变频调速系统而言，目前应用最为广泛的是磁场定向矢量控制系统。20世纪70年代，德国西门子公司F.Blaschke等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国P.C.Custman与A.A.Clark申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”奠定了矢量控制的基础。1972年德国西门子

3、公司学者Bayer，提出了同步电机磁场定向控制原理[1]。同步电机的磁场定向方式主要有：转子磁链定向、定子磁链定向、气隙磁链定向和阻尼磁链定向四种。本文以气隙磁链定向的矢量控制为分析基础。电励磁同步电机采用气隙磁场定向矢量控制系统得以有效实现的关键在于电动机气隙磁链信息的准确获取，所以气隙磁链观测准确性问题的研究极其重要。本文首先介绍了气隙磁场定向矢量控制的原理，接着分析了传统电压模型的不足，然后研究了MT轴系感应电势计算磁链的观测器，并进行了仿真验证。1同步电机气隙磁场定向矢量控制原理1.1同步电机矢量控制原理同步电机矢量控制的基本思想是在磁场定向坐标系上，将定子电流矢量

4、分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节，同时调节转子励磁电流，设法模拟直流电动机转矩控制的规律。由于在同步电动机定子侧的各个物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，不方便控制。因此，采用坐标变换，将各个物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，则电动机的各个空间矢量都变为直流量。根据磁链定向的转矩方程，计算出被控矢量的各个分量值，通过PI调节器实现同步电动机的转速控制[2]。图1为同步电动机矢量控制系统的控制框图，由图可知电励磁同步电动机矢量控制系统由坐标变换单元、转速和位置检测单元、磁链观测单元、

5、电压前馈补偿单元、励磁控制单元和SVPWM单元等部分组成。-6-http://www.paper.edu.cn图1同步电动机矢量控制系统的基本框图-6-http://www.paper.edu.cn1.2气隙磁场定向控制同步电动机转子磁链定向只适用于小容量应用领域，而采用定子磁链定向和气隙磁链定向控制的同步电动机功率因数高，可以实现单位功率因数运行，负载增加时，定子电压幅值维持不变，有利于提高大容量同步电机的利用率，减小变流装置及变压器的容量。因此大功率同步电动机调速系统一般采用这两种控制方式。本文采用的是气隙磁链定向矢量控制，其矢量图如图2所示。图2气隙磁链定向控制同步电

6、机矢量图电压矢量为（1）式中，es=jωψδ；ω为角速度，对于同步电动机它既是同步角速度又是转子角速度。Lsσ为定子漏感；rs为定子电阻。其中ψδ信号来自于电流模型或电压模型。2磁链观测单元磁场定向控制系统的关键部分是磁链观测单元，它的作用是观测磁链的幅值以及旋转角度的信息，构成磁场定向的基准坐标轴线，即MT轴。同步电机气隙磁链可以由转子电流和定子电流计算出来，称为电流模型，也可以由定子电压和电流计算出来，称为电压模型。但在电流模型中，磁链控制是一个开环控制系统。给电流模型以给定量i*sm、i*st和ψ*-6-http://www.paper.edu.cn，计算期望的励磁电

7、流i*f和磁链位置角φ*s，用它们去控制定、转子电流，电动机磁链理应等于给定值，但实际结果是不可知的。同时，模型的不完善、电动机参数设定的不准确及计算误差，都使实际值偏离给定值。在电流模型中，磁化曲线的模拟是粗糙的，由磁饱和及温度变化引起的电动机参数的变化没有补偿，特别是同步电动机暂态分量影响的忽略，带来较大误差，甚至使系统在高速时不能正常工作。为此，需要一个测量磁链量ψ和位置角φs实际值的环节——电压模型。2.1传统电压模型定子电压模型是基于静止坐标系αβ电压与电流计算出磁链，输入定子电压uA、uB、uC，电流i