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转子磁链定向间接矢量控制系统的解析与展望
田建文李国芳
(兰州交通大学甘肃兰州730070)
[摘要]建立三相异步电机的数学模型并化简。应用现代控制理论中的状态观测器的构建方法对转子磁链定向问解矢量控制进行解析。应用现代控制理论解决实际问题，并从理论的角度为三相异步电机的矢量控制作了一下诠释。为理解异步电机矢量控制理论提供了有益的启示并对矢量控制进行展望。
[关键词】三相异步电动机数学模型现代控制理论状态观铡器矢量控制中图分类号：TPl3
文献标识码：^
文章编号：1671—7597(2D08)0720099一02
本文主要介绍了间接矢量控制技术，在旋转坐标dq轴系下化简电动机数学模型，建立磁通状态观测器，推导出算法公式；并对矢量控制的发展方向作了展望。
一、异步电动机的教掌模噩
由电机学知识，我们建立异步电动机的坐标模型：ABc轴为三相交流静止坐标，dq轴是以同步角速度_“旋转的二相直流旋转坐标。
图1异步电动机的坐标模趔
：、在dq轴下化简电机的数掌模受
由交流电机坐标变换理论，我们可以得到在同步旋转的dq轴下的电机模型。在dq轴下的磁链方程：
￡J
O
k
O
O
厶
Ok
k
O
￡．0
O
k
0
L
(1)其中k=主k。为dq坐标系同轴等效定子与转子绕组间的互
感；
1
t
3厶，+号k-为dq坐标系等效二相定子绕组的自感：
方程：
L，=厶：+兰k。为dq坐标系等效二相转子绕组的自感。在dq轴下电压
c，m
焉o
o
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一y．1P只
％
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o
KI
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k
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妒一y虬2pB
(2)其中PB为dq旋转坐标系相对于定子的角速度。P幺为dq坐标系相对于转子的角速度M。在dq轴下的转矩方程为：
t=～驯“：一t岛)去(3)
由此可得异步动机在dq轴上的数学模型的基本方程式(1)、(2)、
(3)．
兰、应用状夺空同分析dq轴下的数学模型
选取状态量x=k。‘y。：y。：j，‘、‘z定子电流可以通过电流
互感器测量，妒一：、％：转子磁链我们通过磁链状态观测器来估算。输入变
量为眇。，u“j，￡，。、u\"是定子的输入电压向量，啊是定子输入角频率，
瓦为负载阻转矩。写出系统的状态方程为：
k
o
0儿％o％％
输出程：y=【，¨降
(4)
o忪
由上式可知，状态方程的系统矩阵为
十口：t观+．矗L，，
L
％
一Ⅳ
A=
一t去+矗，
L_
Ot
0
L。
t
一一一吼』一
状态方程的控制(输入)矩阵为：矗L=l吗
÷oI。
J
转子角速度的方程为：警m
=雩争嚷，虼：一‘％：JL．、引…
刖1掣。
)一等瓦。j‘
现在按转子磁链定向建立旋转坐标：取d轴沿着转子总磁链矢量妒z的
方向．而q轴为逆时针转的方向。此时％2=缈：、y。2=0。把此关系带入
系统的状态方程，可以得到：
w一Ⅳ=彬=每鲁％=i南‘t=专≥‘％
这时系统仍然是耦合的。四、转子磁链估算模壁
转子磁链估算是非常重要的一个环节，它关系到转矩和磁链的解耦控制，这里我们讨论电流型估算转子磁链。
在dq轴下，当w=0时为静止。移坐标系的模型，在此坐标系下可得到电流模型：，
、
僻l号：瑚+黝㈤
把(5)进行。移，由坐标变化得异步电机在dq轴下的电流模型
刮三．；陟钆。，
其中}号者为计算机控制器内的电机参数物理量或指令值，无{号者为
电机实际参数物理量。理想矢量控制时，有以：=o，妒：：=虻。把它们代
入(6)式可得
P以z=一专以：+等】!：t(7)及w。=Ⅳ+毒篆(8)。
由(7)式知转子磁链％：与转子的时间常数f有关，即与转子电阻尺：和电感t有关。电机升温和频率变化都会影响转子电阻，磁链饱和将影响电感L和L，，因此需要对转子磁链进行估算，提高系统对电机参数变化的鲁棒性。由现代控制理论可知，通过取自模型的输出与系统输出之差的负反馈去控制模型的状态便之等于或接近于系统的状态，按上述方案构造的模型称为系统的状态观测器[5]。即在dq轴下，我们对式子(6)电流模
型用磁链的推定值≯0z、％与实际的磁链值虬z、％：之差去控制模型的状
态变量，建立的磁链观测器数学模型为：
P圈忙习㈣+陶隧朝
轰墨Ⅵ泄斟蠢剿
理想矢量控制时，
七、晨置
虻：卸、y：：2以P晾=(‘一专蛾：+等‘一置。n：+置：％(10)
为磁链观测器的模型；
由以上分析：采用矢量控制算法调速范围广，尤其在低速时调速性能较直接转矩优越，但矢量控制算法的准确性与电机的参数有直接关系，需要对电动机的参数进行自动检测、自动彼辨识、自动适应，随着现代控制理论的发展建立比较理想的状态观测器。高性能的dsp芯片的出现，以及高
昨
●
w+纂+＆(此：一％：)墨％：
以：沈：
(11)
度集成的IPM模块研制成功，矢量控制将能够被较容易实现。而直接转矩算法的优点是无需对定子电流解耦、免去了矢量控制算法的复杂计算，控制结构简单。但其在低速时存在转矩脉动、死效应等以及定子电阻变化也能带来一系列的问题，因此尽管现在出现了直接转矩的算法，但矢量控制算法仍然有其强大的生命力。
为转速观测器模型。在全面考虑系统各项性能指标的基础上，综合状态差缈j2一妒j：应具备的衰减速率，我们确定极点配置。进而确定反馈矩阵。
五、定子电压解藕单元
由dq轴下的电压与磁链方程可得到定子回路的展开式
％掷吐％嘲‘警
％；眦‘+@+也％+竖磐●～誓～
在理想矢量控制时y：2=o，当y：：在稳态时为恒值控制，则
y：2=tf：。，把它们代入(12)和(13)中，得到
(12)
(s)
u：。=足0：。一ⅣI‘仃‘tf：I
(14)参考文献：
[1】李华德，
交流调速控制系统[如．北京电子工业出版社，2003．3．电机控制[M]．北京，清华大学出版社，2003．9．
交流电机坐标变化理论的研究[J]．西安，西安交通大学学
嵋=吖‘I：：I+(辟+矿‘噶
电机标量解耦控制。
六、控翻系统的构成
(15)
[2]黄立培，[3]田铭兴，报，2002．6．
[4]陈伯时，社，1991．4．
[5]李友善。
1990．4．
如果已知定子dq轴指令值‘t和‘-，就可以计算电压的指令值，实现
电力拖动自动控制系统(第二版)[M】．北京机械工业出版
由以上分析，基于状态空间的异步电机的磁链定向控制系统的结构如图基于状态反馈的矢量控制系统结构图
自动控制原理(第二版)下册[M]．北京国防工业出版社。
[6]汪国粱，电机学[M]．北京，机械工业出版社，2001．9．
[7]张鹏，基于DSP异步电机矢量控制系统的软件开发与研究[D]．武汉理工大学2002．3．
作者简介：
毋建文，男，山西平遥人，工程师，交通信息工程及控制专业硕士研究
生；李国芳，男，山西平遥人。助教，材料科学与工程专业硬士研究生。
(上接第15页)
如图2所示，整个流程分为3个阶段。第一阶段为前期准备阶段，其时间节点为进入变电站调试之前。该阶段需完成scADA软件系统中数据的录入、模拟软件系统的建立等。对于首次使用的站内智能设备、综合自动化软件系统、MoDEM等应先利用模拟软件系统进行初步通信测试、验收，有问题及时让厂方技术人员解决。一般而言，调试人员在该阶段有足够的时间去应付任何可能存在的问题。
第二阶段为站内调试阶段。所有装置均按照新装设备进行验收，做完整试验，确保所有的信息量准确、完整地传送至综合自动化软件系统及模拟软件系统。有了第一阶段的准备工作，该阶段不大会存在通信问题，一般只有少量数据录入错误，如信息量点号、遥测系数等。如果结合信息量模板化操作模式，该阶段的调试时间将更加具有可控性。根据经验，完成该阶段调试只需5’8天．
第三阶段为联合调试阶段，时间起点为通信设备安装就位后．该阶段主要是在scADA软件系统中对站内设备进行遥控／遥调操作，既进行了遥控／遥调试验，又核对了通信设备、站内设备状态及变位、软件系统响应速度等。若时间允许，还可抽查某些回路进行保护整组试验。在通信设备无误的情况下，完成该阶段工作一般只需半天时间．借助模拟软件系统，应用信息量模板化进行调试工作，调试流程规范有序，使得调试工作具有可控性，避免了重复调试，大大缩短了调试时间，提高了工作
参考文献：
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【2]李广凯、李庚银，电力软件系统仿真软件综述。电气电子教学学报，2005，第3期，第27卷：61—65．
[3]祝瑞金傅业盛电力软件系统高级仿真软件PsS／E的消化与应用华东电力
2001年第2期．
效率和调试质量。
四、结论
在总结综合自动化变电站调试经验的基础上。提出并开发完成了综合自动化变电站调试模拟软件系统。通过应用该模拟软件系统，解决了调试、验收过程中受通信设备制约的调试瓶颈。应用信息量模板化使得调试工作规范有序，所有调试工作均能在变电站内一步完成，避免了重复调试，而且调试人员有充裕的时间调试，确保了综合自动化变电站调试、验收质量，减少了运行隐患．
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