维普资讯 http://www.cqvip.com 第４１卷第１１期 ２００７年１１月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００７ 基于定子磁链全维状态观测器的直接转矩控制 郎宝华，刘卫国，周熙炜，贺虎成 （西北工业大学，陕西西安７１００７２） 摘要：为克服纯积分器的积分初值、误差累积以及直流偏移等缺陷，提出了基于全维状态观测器的永磁同步电 机定子磁链观测方法。以定子磁链作为状态向量构造系统状态方程，以电流作为输出向量构造系统输出方程，配置 观测器极点正比于电机模型极点，并采用Ｍａｔｌａｂ中的鲁棒极点配置算法进行观测器反馈增益阵的计算。实验表明， 采用全维状态观测器对定子磁链观测的准确度更高，所构成的直接转矩控制系统具有更好的性能。 关键词：永磁电机；转矩控制／全维状态观测器；极点配置 中图分类号：ＴＭ３０１．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２００７）１１－００２９－０２ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｕｌｌ Ｏｒｄｅｒ Ｓｔａｔｅ Ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｆｏｒ Ｓｔａｔｏｒ Ｆｌｕｘ Ｌｉｎｋａｇｅ ＬＡＮＧ Ｂａｏ—ｈｕａ，ＬＩＵ Ｗｅｉ—ｇｕｏ，ＺＨＯＵ Ｘｉ—ｗｅｉ，ＨＥ Ｈｕ—ｃｈｅｎｇ （Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ＂，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｉｎｉｔｉａｌ ｖａｌｕｅ，ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｒｒｏｒｓ ａｎｄ ｄｃ ｄｒｉｆｔ，ｔｈｅ ｆｕｌｌ ｏｒｄｅｒ ｓｔａｔｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｆｏｒ ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ ｏｆ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ａｄｖａｎｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｓｔａｔｏｒ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ ａｓ ｓｔａｔｅ ｖｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｓ ｏｕｔｐｕｔ ｖｅｃｔｏｒ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｎｇｅｄ．ｈＴｅ ｐｏｌｅｓ ｗｅｒｅ ｐｌａｃｅｄ ａｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｌｅｓ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｇａｉｎ ｍａｔｉｒｘ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｒｏｂｕｓｔ ｐｏｌｅ ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｉｎ Ｍａｔｌａｂ．Ａｔ ｌａｓｔ．ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｆｕｌｌ ｏｒｄｅｒ ｓｔａｔｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｆｏｒ ｓｔａｔｏｒ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｔ ａｒｅ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｐｕｒｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ；ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ／ｆｕｌｌ ｏｒｄｅｒ ｓｔａｔｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ；ｐｏｌｅ ａｓｓｉｎｇｍｅｎｔ １ 引 言 点配置算法设计了定子磁链全维状态观测器，实验 磁链观测的准确性直接影响到永磁同步电机直 证明了该方法的有效性。 接转矩控制系统的性能．这是由直接转矩控制系统 ２永磁同步电机数学模型 的控制原理决定的【ｎ。通常采用纯积分器观测，然而 图１示出永磁 实际上由于积分初值、误差累积以及直流偏移等因 同步电机中磁链、 ＼五 上】 素的影响．实际中很难取得好的观测效果。 电压和电流的矢量 采用低通滤波器代替纯积分器可以消除纯积分 关系ｉｔ］。ｄ，ｑ坐标 器的不良影响．然而通过对比纯积分器和低通滤波 系固定在转子旋转 ｉ ｜ｌ 器的ＢＯＤＥ图可知．该方法必然会引入对定子磁链 坐标系上； ．Ｙ坐标 幅值和相位的计算误差。文献【２］提出３种异步电机 系固定在定子旋转 定子磁链的改进型积分器的观测方法．解决了纯积 坐标系上。 图１永磁同步电机矢量图 分器的初值和直流偏移问题．其实质是反馈结构的 纯积分器和低通滤波器；文献【３］采用全维状态观测 电流ｆ＝【ｉ ｉ。】 为输出向量，以 ＝【“ Ｕｑ 】 作 器对异步电机定子磁链进行了观测．取得了良好的 系统性能；文献［４］依据异步电机发展轨迹设计了永 磁同步电机定子磁链观测器，采用了简化形式的极 点配置方法．取得了较好的仿真效果。 从现代控制理论思想出发．进一步采用鲁棒极 越＃加＋ｊ Ｒ＂１ Ｆｕ＇・ 定稿日期：２００７一Ｏ７—２Ｏ 作者简介：郎宝华（１９７２一），男，辽宁抚顺人，博士研究 生，研究方向为电力电子与电力传动，高精度 ［［－０， １叫 运动控制系统。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４１卷第１１期 ２００７年ｌ】月 —一电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅ｜ｅｅｔｒｏｎｉｅｓ Ｖｏ１．４１．Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００７ 转子角速度奸～永磁体磁链 可以得到两个极点： ３定子磁链全维状态观测器的设计 ３．１定子磁链全维状态观测器结构 二鲢 一巫 构造系统为： ｛ｑｔ＝Ａｑｔ＋ＢＵ 【ｊ：ｃ Ｄ ㈤ 二（ 二 ｌ＝ 式中 一状态向量估计值 Ａ Ｒ卜 ｃ＝ 。 引 则有： ＿Ａ（ ） （４） 其解为： ｆ［缈（ｏ）一 （ｏ）Ｊ （５） 为消除状态误差，可引入误差（ ）反馈，亦即 （ ｊ）反馈，引入反馈项的优点在于【５Ｊ：①当初始状态 缈和孵偏差时．可使偏差不随时间增加而扩散或 振荡；②可以克服 开环观测器在矩阵 Ａ变化时不能相应 调整，从而使缈和 图２定子磁链全维状态观测器 缈的偏差情况变坏 结构框图 的缺点。状态观测 图中 ￡一状态观测器的反馈增 器的结构如图２虚 益矩阵 线框内所示。由 图２可得观测器的状态方程为： Ｉ －＋ （ Ｊ）佃￡，＝ 一ＬＣ）ｑｔ＋ＢＵ＋ＬＣｑｔ （６） 所以．状态估计的误差为： ｅ ‘【缈（ｏ）一 （ｏ）』 （７） 显然，只要选择观测器的系数矩阵（Ａ—ＬＣ）的特 征值均具有负实部．就能使状态估计 晰进逼近状 态的真实值缈。 ３．２极点配置 观测器的极点也就是（Ａ—ＬＣ）的特征值，通过观 测器的极点配置，使得观测器的响应速度比系统模 型快．这样可使观测误差快速收敛。 电机的极点，即Ｉｓ，－Ａ Ｉ的特征值，也就是下式 的特征值： ｓｚ＋（鲁＋等 鲁・鲁 ｚ＝０ （８） ３０ 设置观测器极 ＯＳ２＝ｋｓ２。图３示出 ｋ＝１．２时．电机极 点和观测器极点 的位置分布图。利 用Ｍａｔｌａｂ的鲁棒 极点配置算法． 可以求解出观测 器反馈增益阵： 图３电机和观澳 Ｉ的极点分布图 Ｌ＝ｐｌａｃｅ（Ａ ，Ｃ ，Ｐ ） （９） 式中Ｐ－一期望的观测器极点向量 ４系统实现 实验以ｄＳＰＡＣＥ设备［６１为控制系统的核心。同时 外扩自行设计的驱动电路、信号采集电路以及系统 保护电路等，再连接上实验样机，就构成了一个实时 电机控制系统实验平台。实验中电机参数为：ＵＮ＝ ２２０Ｖ；ｎＮ＝１０００ｒ／ｍｉｎ； ＝３；Ｒ ＝２．８５Ｑ； ＝３０ｍＨ；Ｌ ＝ ５６ｍＨ； Ｏ．８Ｗｂ。采样周期 １０ｏ ｓ，负载转矩ＴＬ＝ ２Ｎ・ｍ。图４示出实验波形。 鞋 ｊ ≥ ｔ／２５ｍｓ／￣ ｔ／２５ｍｓｔ￣－ （ａ）采用纯积分器的磁链 （ｂ）采用状态观测器的磁链 ｔ／５Ｏｍｓ／搭ｔ／５０ｍｓ／格 （ｃ）采用纯积分器的电流 （ｄ）采用全维状态观测器的电流 图４实验结果 从图４ａ．ｂ的磁链波形来看．采用全维状态观测 器得到的磁链波形和采用纯积分器得到的磁链波形 两者相差并不明显．但从图４ｃ，ｄ的电流波形可以较 清楚地看出，采用全维状态观测器的直接转矩系统 的相电流更平滑，更加接近正弦波。 （下转第３３页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 数字化有源滤波器时延补偿方法的分析和验证 ４ 实 验 为验证以上分析．采用图１所示的并联型ＡＰＦ 和图２ｂ所示三相全波可控整流桥负载进行了实验。 实验参数：ＡＰＦ交流侧电压为３８０Ｖ、直流电压为 （２）实验２负载电流有效值为３０Ａ，采用３．３ 节的方法。图６ｃ示出分次补偿前后ｉ 和ｉ 的实验 波形，表３为Ｆ丌结果。与表２相比，５，７，１ １次谐波 都得到了较好的补偿。因ＡＰＦ未设定补偿５，７，１１ 次以外更高次的谐波电流。所以图６ｃ中电流的毛刺 较多，但电流尖峰明显降低。 表３分次补偿前后谐波含量的ＦＦＴ结果 ６８０Ｖ、直流侧电容值为７５００１ｘＦ．ＡＰＦ与电网之间的 电感值为１．２ｍＨ。ＰＷＭ开关频率为１０ｋＨｚ。实验重 点考察了５．７．１ １等次谐波电流的补偿效果。实验波 形均由ＴＤＳ３０１２示波器测得．Ｆ丌均由ＭＩ２３９２功 率仪分析测得。图６示出实验波形。 ＼谐波含 谐波，次 １ ５ ７ １１ 补偿前 补偿后 １ＯＯ ６４ ３５ ２２ １００ ９ １Ｏ １１ ５ 结 论 ｔ／Ｉｍｓ／格 （ａ）ｉｐ，ｉｑ法补偿前后电网电流及ＡＰＦ电流 分析和比较了几种典型补偿方法的时延影响及 其改进措施。通过分析和实验结果可知。对于负载电 流畸变严重的场合．采用角度预补偿时延的指定次 谐波补偿的方法更加适用。 Ｉｌｌ０ｍｓ／格ｔ／１０ｍｓ／格 参考文献 ［１】王莉娜，姜勇，罗安．有源滤波器参考电流无延时的 生成方法【ＪＪ．电力电子技术，２００１，３５（４）：４２—４６． ［２】高大威，孙孝瑞．有源电力滤波器的延时特性对补偿效果 影响的研究［ＪＪ．电力系统及其自动化学报，２００１，１３（４）： ２８～３１． （ｂ）金波补偿后电网侧电流 （ｃ）分次补偿前后电网侧电流 图６实验波形 （１）实验１ 负载电流有效值为３０Ａ，采用３．１ 节的方法。图６ａ示出ｉｐ，ｉ。法补偿前、后网侧电流ｉ 和 ，以及ＡＰＦ发出的补偿电流 。对比ｉ 与 可知， 滞后ｉ １．５个ＰＷＭ开关周期，即１５０ｌ￣ｓ，导 致电流尖锋基本未被补偿。图６ｂ是全波补偿后的 ｉ 。表２为Ｆ丌结果。可见，补偿后５次谐波电流明 显降低，其他次谐波成分基本不变。这是ＡＰＦ因延 ［３】王濒，张超，杨耕，等．可选择谐波型有源滤波器的 检测及其闭环控制［ＪＪ＿清华大学学报（自然科学版）， ２００４，４４（１）：１３０￣１３３． 【４Ｊ吴隆辉，卓放，王兆安．数字化控制有源电力滤波器中 时间延迟对补偿性能的分析和抑制【ＪＪ．电源技术学报， ２００６，４（３）：２２８￣２３２． ［５】张超，杨耕，杜继宏．有源电力滤波器任意次谐波电 流检测的新算法［ＪＪ．电机与控制学报，２００２，６（３）：２５２￣ ２５５． 时及受带宽限制对高次谐波补偿效果不明显所致。 表２全波补偿前 和补偿后 的ＦＦＴ结果 谐波，次 １ Ｊ ５ Ｉ ７ １ １１ ，Ａ ２４．５ Ｉ ６．７ ｌ ９ Ｉ ４．５ 。ｉ ｜氏 ２３．４ ｌ ４．６ Ｊ ９ Ｉ ４．５ （上接第３Ｏ页） Ｍｏｔｏｒ Ｆｌｕｘ Ｏｖｅｒ ａ Ｗｉｄｅ Ｓｐｅｅｄ Ｒａｎｇｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ ５ 结 论 提出了基于全维状态观测器的永磁同步电机定 子磁链观测方法。通过全维状态观测器和纯积分器 对定子磁链观测效果的实验对比发现．这种应用现 代控制理论的全维状态观测器对定子磁链观测的准 确度更高，系统的性能更好。 参考文献 ［１１ Ｚｈｏｎｇ Ｌ，Ｒａｈｍａｎ Ｍ Ｆ，Ｈｕ Ｗ Ｙ，ｅｔ ｏ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９８，１３（５）：９６９—９７７． ［３】Ｍａｒｃｈｅｓｏｎｉ Ｍ，Ｓｅｇａｒｉｃｈ Ｐ，Ｓｏｒｅｓｓｉ Ｅ．Ａ Ｓｉｍｐｌｅ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｆｌｕｘ ａｎｄ Ｓｐｅｅｄ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｉｎ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅｓ［ＪＪ． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｏｎｉｒｃｓ，１９９７，４４（４４）：５２８￣ ５３５． 【４Ｊ Ｘｕ Ｊｕｎｆｅｎｇ，Ｘｕ Ｙｉｎｇｌｅｉ，Ｘｕ Ｊｉａｎｐｉｎｇ，ｅｔ ｏ１．Ａ Ｎｅｗ Ｃｏｎｔｏｌｒ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ｗｉｔｈ Ｏｂｓｅｒｖｅｒ［ＡＪ．３５ｔｈ ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎ－ ｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］．２００４：１４Ｏ４—１４０８． ［５】王建渊，闫丽，钟彦儒．基于ＤＳＰ无速度传感器直接转 军，等．ｄＳＰＡＣＥ实时仿真平台软件 Ｄｒｉｖｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｏｎｉｒｃｓ，１９９７，１２（３）： ５２８—５３５． 矩控制系统研究［ＪＪ．电力电子技术，２００６，４０（２）：９７—９８． ［６】马培蓓，吴进华，纪环境及应用［Ｊ］．系统仿真学报，２００４，１６（４）：６６７—６７０． ３３ ［２】Ｈｕ Ｊｕｎ，Ｗｕ Ｂｉｎ．Ｎｅｗ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ