基于前馈解耦的感应电机矢量控制系统

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感应 电机 因其具有结构简单 、运行可靠 、价格低廉、维护方便等优势，在工业界得到了广泛应用。为了获得感应 电机快速的动态响应特性 ，往往需要通过坐标变换的方式 ，将其模型转化为类似于直流电机模型，得到-种近似的磁链、转矩解耦控制 ，即矢量控制。但有研究表明，坐标变换引人的交叉耦合电势 ，对电机转矩响应特性具有显著影响。

在-些对感应电机的转矩响应要求较高的场合，例如电力测功机系统，传统的矢量控制方法已经不能满足系统对转矩的动态响应要求。为了消除交叉耦合电势对感应电机控制的影响，从而解决转矩响应较慢的问题，国内外学者提出了几种不同的解耦控制方法，主要有反棱耦、前棱耦和动态解耦3种控制方案。现 比较 3种控制方法对电机动态性能的影响：①反棱耦中解耦补偿量对电机参数依赖性较强，同时会由于反馈电流所存在的延时问题使解耦效果下降，系统易出现不稳定n ；②前棱耦同样比较依赖电机参数，当电机给定出现-个较大的阶跃时，容易引起系统的不稳定，但该方法克服了反棱耦中电流延时带来的不利影响b ；③动态解耦包括偏差解耦和内拟耦，该方法消除了解耦收稿 日期 ：2012-12-26作者简介：章 玮(1967-)，女，浙江杭州人，副教授，硕士生导师，主要从事风力发电、电机与控制方面的研究.E-mail：weizhang###zju.edu.cn· 582· 机 电 工 程 第30卷过程中对电机参数的依赖性，但需要准确的解耦模型，工程实现较为复杂 。

为了弥补上述方案的不足，本研究在传统矢量控制的基础上提出-种基于前棱耦的感应电机矢量控制方法。该方法首先引入前棱耦的控制方法来补偿交叉耦合电势，其次针对前棱耦对电机参数依赖性较强的问题，采用模糊自适应PI控制器来取代传统的PI控制器，降低补偿项对系统参数的依赖性，提高系统的稳定性。最后，通过实验验证改进方案的控制效果。

1 感应电机的数学模型在以转子磁场定向的同步旋转坐标系下，感应电机的数学模型为：fⅡ R p(r i -∞1o-L i1 ：尺 po-L ∞ o-L 争 ( ) L i . .j，(2)，1.5P争 ， (3)- 式中： ～转子漏磁系数；c， -定子电流频率；∞ ∞0.9 ； -转速； -转差；M i、i。 -同步旋转坐标系下定子电压和电流的d、口轴分量；R。-定子电阻，厶、厶、 -定、转子电感和互感 ； -转子磁链 ； -转子时间常数；p-微分算子。

从式(1)中可以看出，感应电机定子d、口轴电压不仅与同轴电流有关，还存在与不同轴电流相关的交叉耦合电势，如式(1)虚线框中所示。

传统矢量控制选择舍弃耦合项来简化控制过程 ，其基本控制框图如图1所示。然而随着电机转速升高，交叉耦合项所占的比重将逐渐增大，选择继续忽略耦合项容易引起系统的不稳定，同时也会降低系统转矩的动态跟踪能力。因此，改进传统矢量控制的不足，进而提高系统动态、稳态特性已是必然趋势。

图1 传统矢量控制中舍弃耦合项的控制框图2 感应电机的改进矢量控制方法2.1 前棱耦方法的实现将式(1)中的交叉耦合电势记为 。和u ，即：：-∞ o-L i： ∞ 。 争 (4) Lr已有学者提出在传统矢量控制中引入式(4)所示耦合电势的前棱耦补偿方法，但所提方案中交叉耦合项的计算依赖于由磁链、转矩外环得到的定子电流给定量i。 和i。 的快速、准确跟踪。

为了消除矢量控制系统中磁链、转矩外环延时引起的电流给定量 和0延时，本研究所提出的前棱耦方法中在使用电流给定量计算交叉耦合电势u 和 时，选择直接从感应电机的数学模型式(2，3)中获得d、q轴电流的给定量 ：。 (5)m .. 2，sac-3PL- L6Jm式中 i 、 -计算交叉耦合电势时的d、g轴电流给定量。

将式(5，6)代人式(4)中可以得到所需补偿的交叉耦合电势 和‰ 的表达式： ， s参 ㈩(争每从式(7)中可以看出，补偿量只与转矩和磁链的给定值相关，即当磁链和转矩发生变化时，补偿量也会立即改变并进行补偿 ，在转矩和磁链给定均不超过额定值时，可以提高前棱耦补偿的快速性，且不会造成动态过程中由于给定量与反馈量瞬时差值较大引起的系统不稳定。

于是，可以得到定子电压在同步旋转坐标系下给定量的表达式为：r ) -i.d) (8) ) -isq)o 根据式(8)中的电压给定表达式，可以得到改进的前棱耦控制框图，如图2所示。

· 584 - 机 电 工 程 第3O卷3 实验验证3.1 实验系统结构为了验证本研究所提出的改进前棱耦矢量控制方法的有效性，使用电力测功机平台实验系统进行验证。该系统结构如图6所示。图6中，IM1为拖动电机，直接与三相变频器相连，IM2为负载电机，通过PwM四象限运行系统与电网相连。本研究通过对IM2的转矩进行控制，完成对1M1的加载试验。

拖动电机 IM1和负载电机IM2为参数相同的2台感应电机，电机参数如表3所示。

L - - - I图6 实验系统结构框图表3 感应电机的电机参数参 数 数 值额定电压厂v额定功-/kW额定频率/Hz额定转速，(r·rain )转子电阻，n转子电感，H定子电感/H定转子互感/H3.2 实验结果分析如图79所示，本研究在I时段时将IM1运行速度设定为500 r/min，IM2输出转矩为0 N·m。在I时段结束时刻，将IM2的输出转矩给定为-23 N·m，即65%的额定转矩，实现转矩的阶跃给定。

无解耦补偿矢量控制下的转矩响应波形如图7所示，转矩响应时间AT24 ms；反棱耦矢量控制下的转矩响应波形如图8所示，转矩响应时间ATI1 ms；本研究所提出的改进前棱耦矢量控制下的转矩阶跃响应波形如图9所示，转矩响应时间为AT6 ms。

比较3种控制方法下转矩的阶跃响应时间可以看出，在采用前棱耦和模糊PI的改进矢量控制方法之后，转矩的响应时间相对无补偿方法缩短了75%，相对反棱耦方法缩短了45%，在保证系统的稳定性的同时感应电机的动态性能得到了明显的提升。

图7 无解耦补偿矢量控制下的转矩阶跃响应波形图8 反棱耦矢量控制下的转矩阶跃响应波形图9 改进前棱耦矢量控制下的转矩阶跃响应波形4 结束语本研究针对矢量控制中存在的交叉耦合电势对转矩动态响应的影响，提出了-种基于前棱耦的矢量控制方法。该方法主要通过在传统的矢量控制方法上的改进，对交叉耦合电势进行了前馈补偿，并引入模糊自适应PI控制器代替传统的PI控制器来改善前馈补偿过程中对电机参数依赖性较强的不足之处。

实验结果表明，基于前棱耦的矢量控制方法相对于传统矢量控制方法而言，在保证系统具有良好稳定性的同时，提高了感应电机转矩的动态响应能力。

(下转第644页)姗 ∞彻 ～- l (机 电 工 程 第3O卷4 结束语鉴于车载网络仿真嘲对于车载网络路由协议仿真的影响，以及现有的嘲的不够真实性，本研究利用MOVE软件构建了-个真实嘲，实现了真实嘲下车载网络路由协议的仿真，在真实嘲下对GPSR、AODV、DSDV以及DSR协议进行仿真，得到了真实的实验数据。本研究通过对实验数据的分析，发现在真实嘲中，当节点数量增加时，GPSR协议在路由开销和延时方面的性能优于其他Ad Hoc网络协议，体现了更好的稳定性。但是在包送达率上面有待提高，如何提高GPSR协议的包送达率将是以后研究的内容。