1、转子磁链定向矢量控制策略转子磁场定向的矢量控制方式目前应用较普遍。将转子磁链的方向定义为 m 轴的方向，垂直于 m 轴的方向定义为 t 轴方向。这时，将以转子磁场进行定向时的 m 轴也称为 d 轴，t 轴称为 q 轴。在异步电机运行过程中假如保持励磁电流恒定，则输出的转矩仅与转矩电流成正比。它的优点是解耦了磁链与转矩，使得控制上较为接近于直流电机的控制，实现了人们最初的设想。矢量控制的磁链取得方法有间接或直接，也称间接磁场定向和直接磁场定向，它们的区别在于： 间接磁场定向间接磁场定向的矢量控制是根据异步电机的数学模型，及各个坐标系下的电机方程，通过计算得到其固有关系式，引入电机参数进行计算，估
2、计磁链的幅值与相角，其缺点是受电机参数的准确性影响较大，且在电机运行过程中，电机参数发生变化需要进行相应的调整，其优点是不需要受到特殊硬件检测设备的制约，节约成本，提高应用性。直接磁场定向直接磁场定向的矢量控制是运用直接方式，获取磁链的位置、幅值，需安装磁链传感器，而在一些场合，安装磁链传感器很难做到。随着 DSP 不断更新升级，使在较短时间内完成运算估算磁链已越来越可行，因此直接磁链观测器越来越多地受到人们重视。其缺点是对仪器的精度要求很高，优点是基本不受转子时间常数影响。如果观测的精度足够高，那么进行矢量控制的准确度就会极为简便。1.三相异步电动机动态数学模型在以转子磁场定向的同步旋转坐标
3、系 dq 轴下，异步电动机的动态数学模型为（1） 电压方程为(1-1)sd sdsesmemq qe erd rdmsrsq qs sru iRLpLpiR 式中，u sd、u sq、u rd、u rq、i sd、i sq、i rd、i rq 分别为定子电压、转子电压、定子电流、转子电流、在 dq 轴上的分量； s 为转差角速度，即 s=e-r； e 为同步角速度； r 为转子角速度。由于这里只考虑鼠笼型三相异步电动机，因此在式(1-1)所示的电压方程中第三、第四行内的转子电压分量 urd、u rq 均为 0。（2） 磁链方程为(1-2)sd sdsmq qrd rdrq qm00iLLi式中
4、，L s、L r 为定子和转子的自感；L m 为定转子互感。令 d、q 坐标系与转子磁链矢量同步旋转，且使 d 轴与转子磁链矢量重合 r 则有(1-3)0rqrtrm为了保证 d 轴与转子磁链矢量始终重合，则(1-4)drqt由式（1-2）和式（1-3）可得(1-5)rsqmrqsdrrd1Liii或(1-6)sqsmrqsdsrd1iLiii由式（1-1） 、式（1-4）和式（1-5）可推导出(1-7)sqserriT式中，T r 为转子时间常数，即 Tr= Lr /Rr。参考相关文献有关异步电机数学模型的推导，转子磁链的状态方程为(1-8)sdrmrdrd1iTLt由式（1-8）可得转子磁
5、链为(1-9)sdrmrd1ip式中，p 为微分算子，从式中可见转子磁链的幅值 r 与定子电流在 d 轴上的分量 isd 成比例，而与定子电流在 q 轴上的分量 isq 无关，且式（1-9 ）表明，转子磁链 r 与定子电流的励磁分量 isd 之间是一阶惯性环节的传递函数关系。（3） 转矩方程为(1-10)rdsqrmpeiLnT从上式可以看出，在以转子磁场定向的同步旋转坐标系上，三相异步电动机的电磁转矩模型几乎与直流电动机的电磁转矩模型完全一样，均和磁链与转矩电流的乘积成正比。（4） 机械运动方程为(1-11)LrpmedTtnJT式中，J m 为转动惯量； TL 为负载转矩。2.电机磁链模型
6、2.1 电流型磁链观测器利用检测得到的定子电流以及转速信号根据异步电机模型在两相静止坐标系下可计算得到(1-12)rmsrrsr1()LiTTp由式(1-12) 可知，电流模型转子磁链观测器中没有纯积分环节，因此没有积分漂移问题，能够在整个速度范围内观测转子磁链，但是模型中包含有转子转速信息，故模型比较适合有速度传感器矢量控制系统中。与此同时模型中用到了转子时间常数，随着电机长时间运行内部温度的变化，转子电阻会发生较大的变化，造成观测器的准确性降低。因此电流模型转子磁链观测器不适用于无速传感器度矢量控制系统中。2.2 电压型磁链观测器利用检测得到的定子电流、电压信号根据异步电机模型在两相静止坐
7、标系下可计算得到(1-13)ssmrr ssrrdiLtiRuL其中2msr1L由式(1-13) 可知电压模型实际上是由定子反电势的积分得到的定子磁链，然后根据与转子磁链的关系推导出的转子磁链。相比电流模型，电压模型最大的优点是模型中不含电机转子电阻，受转子参数影响较小，仅与电机定子参数有关，而且不含有电机转速信号，因此电压模型转子磁链观测器适用于无速传感器度矢量控制系统中。但是，该方法的缺点也很明显：转子磁链由转子感应电压积分得到，积分环节的误差累积和积分漂移现象比较明显，甚至导致整个系统不能稳定运行。3.基于转子磁链的 MRAS 速度观测器根据上述分析，从异步电机两相静止坐标系下的数学模型
8、，可以得到两种不同形式的转子磁链估算模型，即电压模型和电流模型，根据式(1-12) 和式(1-13) 可知，转子磁链的电流模型包含转速信息，而电压模型与转速无关，因此可以构造 MRAS 系统，选择电压模型作为参考模型，电流模型作为自适应模型，以电压模型和电流模型估测磁链的广义误差作为自适应机构的输入，采用 PI 调节器作为自适应机构对速度进行辨识，转子转速辨识公式为(1-14)rrr()ipks但是，如上文所述，电压模型存在一些固有缺点，需要一些改善措施。在参考模型中引入高通滤波环节，来削弱电压模型中纯积分的影响，滤除输出磁链中的低频成分和直流漂移。同时，为了平衡该环节的引入带来的磁链估计相移偏差，在可调模型中串接相同的环节其结构如图 1.1 所示。r电流模型转子磁链观测器电压模型转子磁链观测器参考模型可调模型观测转速XY+ipKs自适应机构css is us css r r r rrrr r 图 1.1 基于转子磁链的 MRAS 转速辨识方法结构图
