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一种观测器的永磁同步电机的新的控制方法
一种基于观测器的永磁同步电机的新的控制方法
摘要
首先,用永磁同步电机(PMSM)的数学模型分析了它的可控制性和可观测性。在此基础上,建立了基于定子磁链的全维状态观测器。此观测器替代传统的纯积分定子磁链状态观测器用于永磁同步电机直接转矩控制(DTC)系统。仿真结果表明这种全维状态观测器成功的实现了对定子磁链的估计,尤其是在接近零速时,并且对参数变化显示了很强的鲁棒性。
1 前言
对定子磁链观测的精确度直接影响永磁同步电机直接转矩控制的性能。永磁同步电机直接转矩控制所使用的传统的观测器是基于出积分的,这种方法很好实现而且只需要定子线圈的电阻这一个参数即可。纯积分的使用不可避免会带来一些问题,比如,阻力系数漂移,初值大小,由定子线圈电阻引起的误差的累加。
已经有各种不同的研究试图避免由使用纯积分带来的不利因素。在文献3中,J.H介绍了三相改进积分器用于观测感应电机的定子磁链,这种方法解决了使用纯积分带来的阻力系数漂移和初值问题。在文献4中,H.Y提出了一种用于感应电机定子磁链观测系统的全维状态观测器。通过使用定子观测器,系统实现了很好的性能,并且在运行条件改变和参数变化时显示了很强的鲁棒性。
这种定子观测器已经被广泛的应用在感应运动的直接转矩控制系统和永磁同步电机的调速系统中。在文献8-10中,分别介绍了全维状态观测器,降阶观测器和扰动观测器用于永磁同步电机调速系统中的情况。然而,以上提到的观测器都没有解决永磁同步电机的问题。几乎没有文章提到使用状态观测器用于永磁同步电机直接转矩控制系统。
在本文中,提出了将全维状态观测器使用于观测永磁同步电机直接转矩控制系统的定子磁链,使用永磁同步电机的数学模型分析了永磁同步电机的可控制性和可观测性,在此基础上,设计了一种全维定子磁链观测器。仿真结果表明,比起使用传统的纯积分观测器,系统拥有更好的稳态特性和动态响应
2 永磁同步电机的数学模型
在图1中,表示了永磁同步电机的磁链、电流和电压的关系。dq轴坐标系建立在转子转动的坐标系的基础上,d轴的正方向是转子磁链的正方向。xy坐标系建立在定子坐标系的基础上,x轴的正方向是定子磁链的正方向。当忽略定子电阻时,定子磁链和转子磁链的角度定义为功率角。
此永磁同步电机数学模型基于以下假设:
忽略电枢饱和
忽略磁滞损耗和涡流
转子上没有阻尼绕组
则永磁同步电机的电压、转矩和电流关系可以用以下各式描述:
其中,Rs是定子电阻,p是微分算子,分别是dq轴坐标系下的定子电流,定子电压和定子磁链,是由永久磁铁产生的磁链,(是转子的速度),是电磁转矩,是电机的极对数。
图1 永磁同步电机的空间矢量图
使用定子磁链为永磁同步电机数学模型的的状态变量,可以得到如下的表达式:
为了设计全维状态观测器,需要把上式转化为如下的标准的系统方程:
其中为n维的状态变量,u为维数为r的控制变量, y为m维的输出变量,而且A,B,C,D分别是维数为n*n,n*r,m*n,和m*r的实数矩阵,根据8式和9式得,作为状态变量,作为输入变量,作为输出变量,则方程6式和7式可以写为如下形式:
由以上各式可得到如下基本方程式:
其中,
3 永磁同步电机的可控制性和可观测性的分析
1)可控制性
状态空间表达式8式和9式可控制的充分条件是:当且仅当对状态空间中的每一个初始状态和每一个需要的目标状态例如,存在一个终了时间和一个控制变量组,可以把系统的状态转化为目标状态,系统地可控制的标准形式是下列向量线性无关,或者下列矩阵的秩是n.
在实际控制系统中,是要求输出可控,而不是状态可控。在输出系统中,对状态变量的控制既是不可行的,也是没必要的,所以有必要定义输出可控系统。如果存在一个线性无关的向量,这个向量可以把系统在一个有限的时间间隔内从任意给定状态转化到一个期望的状态,那么8式和9式所描述的系统可以被看作是一个完全的输出可控系统,这个标准的完全可控制系统的是这样的,下面这个矩阵的秩是m
2) 可观测性
如果一个系统,它的任意的状态都可以在一个有限的时间间隔内被观测到,那门这个系统称为完全可观测系统。标准的输出完全可观测系统是这样的,下面这个矩阵的秩是n.
3)永磁同步电机的可控制性和可观测性的分析
永磁同步电机系统的电气时间常数远远小于它的机械时间常数,所以机器的转速在有限短的时间内可以认为是恒定的值。因此,矩阵A的系数可以认为是一个缓慢随时间变化的变化的恒值。
以下是永磁同步电机的参数:
A,B,C,D的系数可以通过电机的参数由以下公式转化得到
由以上各式通过使用MATLAB我们可以得到矩阵
的秩也可以通过使用MATLAB得到,如下所示:
通过计算结果和标准状态完全可控制型,输出标准完全可控制型和输出完全可观测型,我们可以看到,永磁同步电机既可控制的,又可观测的。由以上分析,我们可以设计状态观
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