基于伪降阶观测器的并联双感应电机矢量控制系统仿真
第41卷 增刊22011年9月
吉林大学学报(工学版)
)JournalofJilinUniversitEnineerinandTechnoloEdition y(gggy
ol.41 Su.2 Vpet.2011 Sp
基于伪降阶观测器的并联双感应电机
矢量控制系统仿真
吴仲辉,张舟云,贡 俊
()上海电驱动有限公司技术中心,上海200240
摘 要:针对交流感应电机在车辆牵引控制领域的应用,在保证并联电机系统结构尽可能简单的条件下,提出了基于伪降阶观测器的并联双感应电机无速度传感器矢量控制系统,采用伪降/阶观测器来辨识并联电机的转速。最后,运用M并与单逆变器atlabsimulink搭建系统模型,
驱动单台电机的性能进行对比分析,验证了本文方法的可行性。关键词:自动控制技术;并联电机;矢量控制;伪降阶观测器;无速度传感器;系统仿真()中图分类号:TP273 文献标志码:A 文章编号:167154972011Su2030605---p.
Simulationonvectorcontrolofduelinductionmotorinarallel p
seudobasedonreducedorderobserverusedinvehicle - p
,un,WUZhonhuiZHANGZhouGONGJun - -y g
(,,TechnicalcenteroShanhaiEdriveCo.Ltd.Shanhai200240,China) f gg
:,AbstractForthealicationofinductionmotorusedintractionsstemofvehiclethemethodon ppyresentedarallelcontrolofduelinductionmotorwasintoidentifthemotorseedbasedonvector ppyp ,,reducedorderobserverwhichdecreasesthestructureofthewholesstem.Finallasstemseudo- yyyp
/modelwasbuiltusintheMatlabsimulink,andthefeasibilitofthismethodwasverifiedb gyy comarinwithasinleinverterdrivinasinlemotor. pgggg
:;;v;Kewordsautomaticcontroltechnoloarallelconnectedmotorectorcontrolseudoreduced - -gyppy ;;orderobserversensorlesssstemsimulation y 交流传动技术是车载牵引动力系统的核心技
术,其发展目标一直是致力于改善车辆牵引和电制动性能,提高系统运用可靠性和能源的有效利用率,减少对环境的影响,降低运营成本,更好地满足市场的需求。世界范围的能源紧缺与节能环保的发展需求使得电动汽车成为汽车工业发展的重点,交流传动技术已成为电动汽车电传动系统的首选。
目前,交流牵引电机普遍采用了磁场定向矢
收稿日期:20110611.--
“”)基金项目:国家高技术研究发展计划项目(8632011AA11A236.
,:作者简介:吴仲辉(男,硕士研究生.研究方向:自动控制.1985E-mailwuzhonhui666@163.com-)g
]]1234--
,量控制[或直接转矩控制方法[结合现代控
制理论和计算机技术领域的新成果应用,牵引传动控制水平不断提升。通常情况下,单台逆变器控制单台交流牵引电机调速系统,如果能够实现单逆变器控制两台或多台交流牵引电机,这样能够减轻牵引传动系统质量,减小体积与成本。20世纪90年代,Kelecy等第一次提出基于动态模型的单逆变器控制并联双感应电机系统的控制策略,无论在稳态还是动态,该控制方法都能获得良
增刊2
吴仲辉,等:基于伪降阶观测器的并联双感应电机矢量控制系统仿真
·307·
;R、R分别] 0
s
r
5]
。近年来,好的转矩响应[并联多电机系统控制
策略的研究引起了越来越多的学者的关注,如研究了单逆变器Ando等采用非线性控制方法,
6]
。日本学者M控制并联多感应电机系统[atsuse等运用无速度传感器控制技术,采用全阶自适应观测器,消除原来系统的速度传感器和磁链传感
]78-
。最近,器[Nishimura等提出单逆变器控制并9]
。文献联双感应电机的转子磁链反馈控制方法[
U=SLm;I=r
[[01 1]
;J=
1 00-1
为定子、转子电阻;转子自感;LLs、r分别为定子、
2
(;Lm为互感;LLσ为漏感系数,σ=1-Lm/τsr)r
/为转子时间常数,LRr;τωr=rr为转子角频率。
以定子电流和转子磁链为状态变量,交流感
13]
:应电机的伪降阶自适应观测器描述如下[
[]研究了基于平均转子磁通进行定向的矢量控10
]制策略并进行仿真分析。文献[研究了基于动11态模型的并联双感应电机的无速度传感器控制技术。
对于两台驱动电机的场合,单逆变器驱动单易于实现,但是占用台电机的控制策略虽然简单,
了车体更多的空间,采用并联电机控制策略在不增加控制系统结构复杂性和满足车用要求的前提减小了控制器的体积,同时,去掉速度传感器下,
对降低控制系统复杂性和成本,提高了可靠性。本文在保证并联多电机系统结构尽可能简单的条件下,提出采用伪降阶观测器来辨识并联多电机的转速,设计了基于伪降阶观测器的并联双感应/电机无速度传感器矢量控制系统,用Matlab
并与单逆变器驱动单台simulink搭建系统模型,电机的情形进行仿真研究和对比分析。
^/^^^^^)dit=AiABuG(ii3Φsd11s+12r+1s+s-s)(^/^^^^()dt=AiA4ΦΦrd21s+22r
“式中:为估计值;^”G为自适应伪降阶观测器增益矩阵,G=
[-g
gg12
2
1
,增益矩阵G通过极点
]g
T
)其中k配置得到;k1kkαgg1=(1-r11,2=2,1、2为任意常数。
感应电机的转子速度通过Launov稳定性yp于是得到辨识速度为理论推导出自适应率,
T^^/)KpseJωΦrisr=-(1+KI1
()5
^为定子电流误差;^为估计转子式中:eiiΦis=s-sr
磁链;KpKI1、1为任意正常数。
2 并联感应电机的数学模型
2.1 并联双感应电机的电流模型
采用单逆变器控制两台并联的感应电机,如果两台感应电机的参数和转速均是不相同的,那么流入每台感应电机的定子电流是不平衡的。因通过单逆变器直接控制定子电流是十分必要而,
的。图1为并联双感应电机的电流模型框图
。
1 自适应伪降阶磁链观测器
在自适应控制系统设计中,辨识感应电机的转速可采用全阶自适应磁链观测器自适应磁链观测器
[13]
[12]
和伪降阶
等方法。伪降阶自适应磁
链观测器的突出优点是其极点与感应电机的转速无关,与全阶自适应观测器相比,计算时间短,速度和转矩响应快。为获得伪降阶自适应磁链观测器,利用交流感应电机在两相静止参考坐标系下
12]
:的状态方程[
AAiB1112ss1i
=+uAx+Buss=
dtΦAA02122Φrr
()1
[][][][]
iCxs=
T
()2
T
]]为式中:为定子电流;iiiΦΦΦs=[ssr=[rrα,α,ββ]为定子电压;转子磁链;uuus=[ssα,β/(/ARsL+(1-SI=aI;σσ)σ]11=-[s)rr11
(ALm/LLSI-J]=aI+aJ;σω12=sr[rrr12i12
图1 并联双感应电机的电流模型框图
Fi.1Inductionmotordiaramofarallelconnectedmotor - ggp
从逆变器流出的电流iis分为两部分:s1流入。感应电机1,iis是定子电流s2流入感应电机2
-
AUI=aI;ASI+J;ω21=r2122=-rr
/(];/B1LI=bI;C=[I 0S1tσ1=s)1r=r;
iis是定子电流iΔs1和is2的平均值,s1和is2的差
值。当两个感应电机的负载不平衡时,定子电流
-
·308·
-
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由于is是逆变器输出电流iis1与is2不相等,s的一半,因此可以作为逆变器的控制量。2.2 并联双感应电机的转子磁链模型
在同步旋转d感应电机的-q参考坐标系下,
14]
转子磁链方程为[
))函数,方程(与(具有相同的形式。因此,两1011台电机可以作为一台电机的情况处理。当两台感通过式(来均匀分配负载应电机负载不同时,11)转矩。
e
/ddt+[SI+(J]iΨrω-ωΨr=U rr)s
eT
式中:iiis=[sd sq]为定子电流;
()6
3 并联双感应电机的矢量控制策略
在旋转坐标系下并联双感应电机的矢量图如图2所示。Ψr1和Ψr2表示感应电机的转子磁链,
T
U=SLm;Ψr=[Ψrrrq Ψq]为转子磁链;
//S1LRr为转子时间常数;Rr为转子ττr=r;r=r
电阻;Lω为同步角频率;ωr为转子自感;r为转子角频率。
感应电机1和2的转子磁链方程均用方程()表示如下:6
e
/)ddt+[SI+(J]U1i7Ψrω-ωΨr1r1r1)1=s1(
e
/)ddt+[SI+(J]U2i8Ψrω-ωΨr2r2r2)2=s2(
)(),联立方程(得到如下方程:78/ddt+[SrI+(J]I-Ψrω-ωr)Ψr+(ΔSr
-eeJ)iUΔiΔωΔΨr=Urs+Δs
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Ψr表示两台感应电机转子磁链的平均值;ΔΨr
表示两台感应电机转子磁链差值的一半。根据转子磁场定向控制原理,在同步旋转坐标系中选取平均磁链Ψr的方向与d轴正方向一致
。
—
——
()9
//式中:2;2;Ψr=(ΨrΔΨr=(Ψr1+Ψr2)2-Ψr1)
eeee
//ieii2;ieii2;Δs=(s1+s2)s=(s2-s1)—
—
—
—
//Sr=(SS2;SS2;ΔSr1+r2)r=(r2-r1)//U=(U1+U2)2;U2-U1)2;ΔU=(
//2;2。ω=(ωωΔω=(ωωr1+r2)r2-r1)
如果两台电机的参数和转子速度相同,则方))与(一致,此时,两台电机可以作为单电机程(69处理。
2.3 并联双感应电机的转矩模型在旋转参考坐标系中,感应电机的转矩表示如下:
—r
—r
—
—
图2 双感应电机的矢量图Fi.2 Vectorofdualinductionmotor g
e
)在方程(中,将Ψr和i9q轴s分解成d轴和
—
-
分量,在转子磁场定向下的转子磁链表示如下:
SrΨrSΔΨrωrΔΨrd+Δrd+Δq=
eee
()UiiUΔi12sd=Usd+Δsd
)从式(可以得到控制平均转子磁链的参考12*
电流iesd如下:
—
——
-—
—
-
——————
Lm(e
Te=iΨr×s)
2Lr
式中:Lm为互感。p表示极对数;
()10
i
—
e*sd
将方程(分别应用到电机1和电机2,类10)似于并联双感应电机的转子磁链模型的推导,可以得到如下方程:
————3Lm[(]T′=ie+(ie=Ψr×ΔΨr×Δs)s)
2—
————LLmLr1r2
()Te-11ΔTe·Lm-Te·ΔLm](
2Lm1Lm2—
—
-
^^————————*
rrerrrdrddsd=-
U
()13)将方程(中Ψr和ie11q轴分s分解成d轴和
—
—
量,在转子磁场定向下转矩方程表示如下:
———3Lm(——e-e
T′=isiieΨrΨrΨrΔddΔssd)q+Δq-Δq
2
)(14—
—
)从式(可以得到控制平均转矩的参考电流14
e*
isq如下:
————^^*e
iieΨrΨrΔdΔssd—-Δq+Δq
—Lme*isq=—^
Ψrd
—
—
//式中:Te=(TeTe2;Te=(TeTe2;Δ1+2)2-1)
——
Lm=
—
—Lm1Lm2)Lm2Lm1);。+Lm=-Δ
LL2L2Lr1r2r2r1
—
—
()15
当两台感应电机的参数相同时,T′是Te的
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吴仲辉,等:基于伪降阶观测器的并联双感应电机矢量控制系统仿真
子电流曲线如图4和图5所示
。
·309·
““式中:表示参考值;表示估计值。^”*”
4 系统结构框图
本系统采用磁场定向控制实现对交流感应电机的控制,并联双感应电机矢量控制系统框图如
—^
图3所示。图中,ΔΦr为转子磁链差值的估计—^^^值;Φr为转子磁链均值的估计值;ΦΦr1、r2分别为
电机1和电机2转子磁链的估计值。电机的转子(得到,磁链与转矩辨识分别由式(9)11)d轴、q)()轴电流计算分别由式(得到。1315
图3中,为了简化计算过程,不直接计算平均而是采用静止两相参考坐标转子磁链的位置角,
系中辨识的并联双感应电机的平均转子磁链直接计算平均转子磁链的位置角的正弦值和余弦值,便于建模和仿真
。
图4 并联电机的给定转速跃变时的响应曲线
Fi.4 Resonsecurseofivenseedof gpgp
motorume
darallel jpp
图3 并联双感应电机矢量控制系统框图Fi.3 Vectorcontrolsstemblockdiaramofarallel gygp
inductiondual
5 仿真及结果分析
某应用于电动汽车的牵引电机最大输出功率额定工作电压345kW,36V。具体电机参数为:
/Pe=21kW,n2,n3600rmin,Te=50N·e=p=m,I150A,Rr=7.202Ω,Rs=7.079Ω,Le=s=
0.620658mH,L.620224mH,Lm=0.598 r=0
2
J=0.065k888mH,g·m。采用转矩闭环的控
图5 单逆变器驱动单电机的响应曲线Fi.5 Resonsecurveofsinlemotorinverterdrive gpg
由图4和图5可以看出,当转速跃变时,本文提出的矢量控制方案辨识的转速响应曲线和定子电流变化曲线与单逆变器驱动单电机的响应曲线十分接近,而且本方案结构简单,能够减少控制系统的体积。
,牵引逆变器开关频率f最大调制方式,5kHzs=制深度ma=1。采用参数相同的双感应电机进行仿真对照,两台感应电机负载转矩均为空载,以额定转矩启动,启动1s后电机的给定速度从3600//rmin降到2000rmin。采用本文方法辨识的并联电机和单逆变驱动单电机的速度响应曲线和定
6 结束语
给出了并联感应电机矢量控制方案,实现了参数相同或相近的感应电机控制,相对于单逆变
·310·
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():38615661571.-
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器驱动单台电机的矢量控制系统而言,两者性能比较接近。该方法在不增加控制系统结构复杂性减小了整个控制系统的体积,同时减少的前提下,
了电机轴端的速度传感器,避免高温和污染条件下速度传感器的损坏,节省了成本,提高了系统的可靠性。参考文献:
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