异步电机电流内模解耦控制系统分析与仿真蒋卫宏(连云港职业技术学院机电工程学院,连云港222006)摘要:在同步速d-q坐标系下异步感应电机动态模型和解耦控制原理的基础上引入了内模控制方法,详细设计了基于转子磁链定向和内模控制的定子电流调节器。

为了计及实际系统中异步感应电机磁场会随着电机负载(转矩)变化而呈不同程度的饱和以致电机参数的非线性,分析了电流内模控制器对这种非线性参数的鲁棒性,建立了整个异步感应电机矢量控制仿真系统,并分别对忽略磁路饱和和考虑磁路饱和两种情况下的系统进行了仿真分析。

结果表明电流内模控制调节器在模型匹配和失配下均能提供良好的转矩动和静态解耦效果。

关键词:矢量变换;解耦控制;磁场定向;电流内模控制中图分类号:T M341 文献标识码:A 文章编号:1003-8930(2007)05-0079-05Analysis and Simulation of Decoupled Control System ofAsynchronous Motor Using Internal Model Current ControlJIANG Wei-hong(Department of Electro mechanic,Liany ungang Technical Co llege,Liany ungang222006,China)Abstract:T he internal model contr ol method is intro duced based on t he dy namic mo del of asynchr o no us mo tor in d-q refer ence fr ame.And the desig n of stat or cur rent co ntr o ller is pr oposed in deta il based on r oto r flux or iented v ector co ntro l.In or der t o take pa rameter nonliner ar ity into account which is caused by lo ad v ariatio n in real system,ro bustness of t he cur rent int ernal model co ntro ller to such nonlinea rit y is ana ly zed, and the vecto r cno nt ro l simulation system is established.Simula tio n result s under flux saturat ion co nsider ed and not co nsider ed show that the cur rent inter nal model co nt ro ller can pr ov ide go od per for mance w ith matched model and unmat ched model.Key words:vecto r t ransfor mation;decoupled co ntro l;field-or ientation;internal model cur rent contr ol1　前言 交流异步电机是一个多变量、强耦合、非线性、时变系统,其瞬时转矩控制困难,难以获得如同直流电机一样的高动态调速性能。

矢量变换控制技术[1,2],无论是转子磁场定向[2]、气隙磁场定向[3]还是定子磁链定向[4]、定子电压定向[5],其基本思想均是通过旋转坐标变换将定子电流分解为相互垂直的直流量励磁(无功)电流i d和转矩(有功)电流i q,且分别对两者进行独立的闭环调节以实现对交流异步电机的解耦控制。

现有的电流控制方法有电流滞环控制、定子坐标系下的PI调节和同步速坐标系下的PI调节控制。

其中,同步速坐标系下的电流PI调节控制尤能取得良好的稳态性能,然而该方法由于坐标变换引入的d、q之间的耦合将直接解耦的动态效果,此外d、q轴PI控制器的参数调节传统上通过试验的方法调试得到。

对此,文献[6,7]将工业过程控制中的内模控制(internal model contro l,IM C)引入到交流电机的电流控制中,并仅以永磁同步电机为例给出了电流环控制参数设计过程和相应的仿真和实验结果。

但是对电流内模控制方法在电机由于负载变化引起的参数非线性条件下其解耦效果和鲁棒性能研究在现有的文献中鲜见分析。

第19卷第5期2007年10月 电力系统及其自动化学报Pr oceedings o f the CSU-EPSAVo l.19N o.5O ct.　2007收稿日期:2006-11-16;修回日期:2007-03-09鉴于此,本文以交流感应电机为例,在同步速旋转坐标系下交流感应电机数学模型的基础上将内模控制引入到电流控制中,并对调节器的参数进行了设计。

考虑实际过程中由于负载变化引起的电机磁路不同程度的饱和以至于产生电机参数的非线性变化,笔者理论分析了电流内模控制方法对参数非线性的动态解耦效果和鲁棒性。

在此基础上,在M AT LAB/SIM ULINK中编写了考虑磁路饱和效应的交流异步电机动态模型,并建立了基于转子磁场定向和电流内模控制的磁通检测式交流感应电机矢量控制系统及对其在考虑磁路饱和和不考虑磁路饱和两种情况下进行了仿真研究,结果表明了基于内模控制方法电流调控制器的正确性和有效性,以及对电机参数非线性变化的鲁棒性和良好的动态解耦效果。

2　内模控制2.1　同步速旋转d-q坐标系下异步电机模型同步速坐标系下异步感应电机数学模型以空间向量表示[6,7]为dd ts(t)=-R s i s(t)-j 1 s(t)+v(t)d d t r(t)=-R r i r(t)-j 2 r(t)(1)s(t)=L s i s(t)+L m i r(t)r(t)=L r i r(t)+L m i s(t)(2)式(1),(2)中,i s, s和i r, r分别是定、转子电流和磁链向量,v为定子电压向量;R s,R r和L s,L r分别是定、转子电阻和自感;L m为互感; 1和 2分别为定子频率和滑差频率, 2= 1- r。

由式(1)和式(2)可得L d i s(t)d t+[R s+(L mL r)2R r]i s(t)+ j 1L i s(t)=v(t)+L mL r(R rL r-j r) r(t)(3)其中,L =L s[1-L2m/(L s L r)]。

于是,转子磁场定向下 r d= r, r q=0,异步感应电机模型可表示为d-q分量的形式,即v d(t)=v′d(t)-L mL2rR r r dv q(t)=v′q(t)+ r L mL rr q(4)v′d(t)=R′s i s d(t)+Ld i s d(t)t- 1L i s q(t)v′q(t)=R′s i s q(t)+Ld i s q(t)t+ 1Li s d(t)(5)式中,R′s=R s+(L mL r)2R r。

将式(5)进行Laplace变换可得U(s)=G-1(s)Y(s)(6)其中,U(s)=V′d(s)V′q(s),　Y(s)=I sd(s)I sq(s),G(s)=sL +R′s- 1L- 1L sL +R′s-1。

2.2　电流内模控制器设计将工业过程工程控制中的内模控制引入到电流环控制器参数设计中,内模控制及其等效结构图如图1和2所示[6]。

图中G^(s)为内部模型,u和y分别为矢量控制系统的电压和电流向量,w为参考电流向量。

图1　内模控制原理图Fig.1　IMC structure图2　内模等效结构图Fig.2　Equivalent structure of IMC 由图2可得F IM C(s)=[I-C IM C(s)G^(s)]-1C IM C(s)(7)由式(6)可知G^(s)为最小相位系统,则可得[6]C IM C(s)=G^-1(s)f(s)(8)・80・电力系统及其自动化学报 2007年10月 f(s)=s+I(9)式中, 为电流环的带宽,且 = 2.2/t r,t r为电流的上升时间。

由式(7)～式(9)可得电流控制器为F IMC(s)=[I-s+I]-1G^-1(s)s+=s G^-1(s)= L^ (R^′ssL^+1)-1L^s1L^sL^ (R^′ssL^+1)(10)式中,R^′s和L^ 分别为R′s和L 的估计值。

可见,只要知道电流环的控制带宽及电机参数即可唯一确定电流环控制器的设计参数。

一般来说,电机模型G^(s)由于参数的估计误差,会与实际对象G(s)失配,但由于C IM C(0)=G^-1(0)f(0)=R^′s- 1L^1L^ R^′sI=G^-1(0)(11)及d td t[C IMC(s)G^(s)] s=0= dd t[G^-1(s)f(s)G^(s)]= dd t [s+] s=0=-1 ≠0(12)可见,基于内模控制的感应电机电流控制系统,当模型参数和实际模型失配时,对阶跃输入和常值干扰不存在稳态偏差。

3　系统建模根据以上分析,笔者运用MAT LAB中的S函数编写了由于不同负载引起的不同磁路饱和效应的交流异步电机动态模型,并建立了基于转子磁场定向和电流内模控制的磁通检测式交流感应电机矢量控制仿真系统。

3.1　矢量控制系统模型构建整个矢量控制系统框图如图3。

整个系统由速度环(外环)和电流环(内环)构成,速度环的输出作为电流环的输入,电流环主要实现基于电流内模控制的转子磁场定向转矩解耦控制。

图中的“ac-motor model”是笔者运用M AT LA B中的S函数编写的考虑不同负载下引起磁路饱和效应的交流异步电机动态模型。

3.2　电流内模控制器设计由式(12)可得交流感应电机电流内模解耦控制实现结构框图,见图4。

具体设计参数参见附录。

图3　异步电机矢量控制系统Fig.3　Vector-controlled system of AC motor图4　电流内模控制器Fig.4　Current internal-model controller4　仿真结果分别在忽略和考虑不同负载下引起磁路饱和效应两种情况下,对基于转子磁场定向和电流内模控制的磁通检测式异步电机矢量控制在参数如附录所示的电机上进行了仿真研究。

图5和图6分别是忽略和考虑不同负载所引起磁路饱和效应的仿真结果。

其中图5的仿真结果很好地验证了在忽略磁路饱和效应情况下基于转子磁链定向和电流内模控制的矢量控制的转矩动、静态解耦性能。