探讨直接转矩控制中磁链观测方法-机电毕业论文(2)
2013-09-21 01:57
导读：其中紫色波形对应的截止频率为3rad/s，蓝色波形对应的截止频率为5rad/s。 低通滤波器的输出波形Fig2 The output waveform of a low-pass filter根据图2 可以看到，与纯
其中紫色波形对应的截止频率为3rad/s，蓝色波形对应的截止频率为5rad/s。
低通滤波器的输出波形Fig2 The output waveform of a low-pass filter根据图2 可以看到，与纯积分器相比，低通滤波器可以更好地消除输入端直流偏置的影响。但是与理想输出波形相比，采用低通滤波器后输出波形产生了幅值和相位误差，而且随着截止频率的增大，幅值和相位误差也不断增大，这与前面的理论分析吻合。因此，为了减小幅值和相位误差，应该尽量减小截止频率。但是，如果过分减小截止频率，又会影响低通滤波器对直流偏置和噪声的过滤性能，无法体现低通滤波器相对于纯积分器的优势。因此，在采用低通滤波器时，截止频率是一个矛盾。
从以上分析可以看出，采用低通滤波器来代替纯积分器虽然有自身的优势，但是同样它本身存在的问题也很多，特别是相位和幅值的偏差，如果不加以改进，会对实际的控制性能造成严重的影响。
4 带补偿的磁链观测器的原理分析为了解决低通滤波器带来的相位和幅值偏差问题，国内外专家和学者提出了很多方案，其中主流的方法都是基于对低通滤波器的输出进行相位和幅值补偿这一思想[4][5]。通过补偿，可以使得低通滤波器的输出得到纠正，尽量等效于理想纯积分器的输出，从而减小相位和幅值误差对系统控制性能的影响。
对低通滤波器的输出进行补偿，目的就是在充分利用低通滤波器对直流偏置的抑制这一优点的前提下，尽量减小幅值和相位畸变，使它的输出接近纯积分器的输出。对于纯积分器，可以用式（6）表示。
y 1 xs= 式（6）对上式进行改写，可以得到一个等价的公式，如式（7）所示。
1 cc cy x ys sωω ω= ++ +式（7）其中，右边第一项表示的是低通滤波器，第二项表示的是用于补偿的量。由于式（6）和式（7）是等价的，所以按照式（7）设计的磁链观测器，既具有低通滤波器可以消除噪声和直流偏移的作用，也可以保证输出接近纯积分器的输出，最大程度上减小由于采用低通滤波器而产生的幅值和相位偏差。
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根据式（7），目前比较常用的一种补偿方法是基于坐标变换的定子磁链观测器[4].
中可以看出，这种方法正是基于式（7）来进行补偿的。其中在反馈补偿环节中，该方法采取了两相静止坐标系到极坐标系的变换及其反变换。坐标变换的加入可以分离定子磁链矢量的幅值和角度，然后利用一个限幅模块对定子磁链矢量的幅度进行限制，充分抑制直流偏置带来的积分饱和；与此同时，定子磁链矢量的相角保持不变。这种方法可以有效地抑制低通滤波器带来的相位和幅值偏差，同时又充分利用了低通滤波器对直流偏置的滤除作用。
基于坐标变换的定子磁链观测器框图Fig3 The block diagram of the stator flux observerbased on coordinate transformation根据图3 所示的控制框图，在Matlab/Simuink 中建立了基于坐标变换的定子磁链观测器的仿真模型。在仿真实验中，输入为互相正交的两个正弦信号，用以模拟反电动势的α、β分量，其峰-峰值为10，角频率10rad/s；低通滤波器的截止频率为5rad/s；在输入端，人为加入了幅值为0.01 的直流偏置作为干扰。
基于坐标变换的定子磁链观测器仿真输出波形图Fig4 The output waveform of the stator flux observerbased on coordinate transformationhttp://www.paper.edu.cn-5-中国科技论文在线在中，黄色的波形为理想纯积分器的输出波形，上面一栏中的紫色波形表示低通滤波器的输出波形，下面一栏中的紫色波形表示基于坐标变换的磁链观测器的输出波形。从图中可以清楚地看到，单纯采用低通滤波器代替纯积分器后，虽然输出波形受直流偏置的影响大大减小，但是相比于理想波形相位和幅值都有较大偏差；而采用了基于坐标变化的补偿方法后，输出的波形可以在两个周期内快速跟随到理想的输出波形，同时仍然保持了对直流偏置较好的抑制。
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从上述分析可以看出，在低通滤波器中引入补偿措施是非常有必要而且非常有效的。通过补偿，由低通滤波器带来的输出幅值和相位偏差在很短的时间内得到了改善，同时低通滤波器对积分初值问题以及直流偏置的抑制作用也得到了充分地发挥。
但是，在引入补偿的时候，有一个问题非常重要，那就是限幅模块的阈值的选择。在目前的大多数补偿方法中，都必须对磁链矢量的幅值进行限幅，以抑制积分饱和。在选择限幅阈值的时候，必须将阈值定义为理想输出的磁链矢量的幅值，不能偏大或者偏小，否则都会影响输出波形。为了验证这个问题，实验中改变输入的两个正交正弦信号的幅值，仿真结果如图5 所示。
基于坐标变换的磁链观测器针对不同幅值输入信号的输出波形Fig5 The output waveform of stator flux observer based on coordinatetransformation according to the inputs of different amplitude所示为输入信号峰峰值改为20 时的输出波形，此时的限幅模块阈值（-0.5，0.5）小于理想的磁链矢量幅值1.0。可以看到，相比与图4 中下面一栏限幅阈值跟理想幅值相等的情况，此时的输出波形发生了明显的幅值和相位畸变。通过在仿真实验中多次改变输入信号的幅值，可以验证：带补偿的低通滤波器虽然可以消除幅值和相位畸变，但是应用范围非常窄，必须在限幅阈值跟理想输出幅值相差不多的情况下使用。
5 结论通过本文对三种不同的磁链观测方法的研究和分析，可以看到，经典直接转矩控制算法中基于U-I 模型的磁链观测器虽然结构简单、实现容易，但是由于积分器本身的不足，这种方法并不能应用于实际，必须加以改进。采用低通滤波器代替纯积分器的观测方法，可以很好地弥补积分器的不足，但是同时又引入了幅值和相位畸变的问题。带补偿的低通滤波器方法，可以在迅速改善幅值和相位畸变的同时，发挥低通滤波器对积分初值问题和直流偏置的抑制作用，同时原理简单、结构明了、易于实现。但是，受限于补偿方法中限幅器的固定阈值，当输入信号在大范围内变化的时候，补偿效果将会大打折扣。因此，应该继续针对补偿措施进行更加深入的研究，力求找到适用范围更广，更具实际意义的磁链观测方法。
线参考文献
