電動機(jī)控制中的高精度建模技術(shù)

2.3 實(shí)時模擬裝置

實(shí)時模擬器是將PE裝置的滋s級現(xiàn)象與電動機(jī)及負(fù)荷等的秒—分級現(xiàn)象同時處理的裝置。由于以前就采用了對電力系統(tǒng)瞬時值的實(shí)時分析計(jì)算，也由于迄今CPU 及數(shù)字模擬技術(shù)的進(jìn)步，在電動機(jī)控制領(lǐng)域中，正在不斷推廣應(yīng)用實(shí)時模擬裝置。

圖3為實(shí)時模擬裝置的應(yīng)用形式。圖3(a)是對變頻器和電動機(jī)進(jìn)行的實(shí)時模擬，能代替實(shí)際設(shè)備用于控制器的試驗(yàn)。優(yōu)點(diǎn)是在沒有實(shí)際設(shè)備時也能完成試驗(yàn)，容易設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件以及可進(jìn)行危險性試驗(yàn)等。

圖3(b)為實(shí)時執(zhí)行的控制算法，驅(qū)動實(shí)際的變頻器和電動機(jī)，被稱為快速設(shè)計(jì)原型(prototyping)，即使未試制出專用的原型，也能實(shí)時試驗(yàn)。最近的實(shí)時模擬裝置，與通常的數(shù)字仿真一樣使用方便，能進(jìn)行實(shí)時試驗(yàn)，取樣周期為50 滋s左右。由于采用了FPGA(場可編門陣列)等，能實(shí)現(xiàn)10 滋s以下的高速化。今后在速度上將繼續(xù)提高，可望進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

高精度的模型提高了與真機(jī)的等值性，這與提高實(shí)時性縮短運(yùn)算時間二者之間存在折衷關(guān)系。因?yàn)樵趯?shí)時模擬裝置中模型的重要性，故著重要求提高模型的精度和性能。

3 模型的高精度化

3.1 有關(guān)模型的課題

可變速電動機(jī)驅(qū)動中，作為模型高精度化的一個例子，選取永磁式同步電動機(jī)，以勵磁作用的磁通方向?yàn)閐軸，與其正交的方向?yàn)閝 軸。把模型置于dq軸組成的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，優(yōu)點(diǎn)是可將電壓與電流作為直流來處理。

這一模型由于其處理簡單而多被采用。但在抑制電動機(jī)控制中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動時，以及優(yōu)化變頻器和電動機(jī)整個系統(tǒng)的損耗時，仍按式(3)建模就不適用，必須將模型的參數(shù)作表格化之類的處理改進(jìn)，這種場合下存在以下三個課題。

1)模型參數(shù)的提取由上式可知，電動機(jī)的模型是用電路方程式描述的，但不能反映電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及鐵心等材料的特性。因此，為獲得詳細(xì)的模型參數(shù)，需要測定真機(jī)的電氣特性。

2)模型的工作范圍在特定的電壓、電流、轉(zhuǎn)速條件下，若求得模型參數(shù)，只要測定一點(diǎn)就行，但變速電動機(jī)驅(qū)動時，電動機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速均在0~100%以上的范圍內(nèi)變化，模型參數(shù)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速之間存在相互依賴性問題。故在條件改變下進(jìn)行測定，須按照依賴性列出的表格或按近似式來模擬參數(shù)的變化。

3)高次諧波的影響為對附加于基波特性上的轉(zhuǎn)矩脈動進(jìn)行模擬，應(yīng)考慮諧波成分的影響，掌握了椎fa 與轉(zhuǎn)子位置的依存關(guān)系，才能將轉(zhuǎn)矩脈動簡易地模型化。

本文提出了與電磁場分析結(jié)合的方法，以解決上述課題。藉電磁場分析求知電動機(jī)參數(shù)之間的依賴關(guān)系。由此，盡管采用目前的d-q 軸模型，也能提高模型的精確度。

從表1可見，電動機(jī)模型高精度化的概況，不僅要求改進(jìn)現(xiàn)有的d-q 軸模型，而且要求由電動機(jī)模型能反映其結(jié)構(gòu)與材料特性的精確模型，因這樣的模型用于PE系統(tǒng)的控制分析，裝入與d-q 軸模型同樣的控制程序后，就能容易與控制模擬器和電動機(jī)電路模擬器組合。

3.2 與電磁場分析的結(jié)合

由上節(jié)所述，與電磁場分析結(jié)合的電動機(jī)模型可取得高精度化的成果，通過電磁場的分析，因能對永磁電動機(jī)負(fù)載時的交鏈磁通進(jìn)行分析，故可計(jì)算出基于磁通方程式(4)的電感值。

在這種情況下，由磁體產(chǎn)生的磁通

，與由d軸電流產(chǎn)生的磁通LdId不能分離，故進(jìn)行了對微小改變d軸電流的分析，并假定相應(yīng)這一微小變化導(dǎo)致磁飽和的影響相同。由兩個分析結(jié)果可將

與LdId分離。若按此法，能考慮到磁飽和的影響，并求知與電流有依賴關(guān)系的電動機(jī)參數(shù)

、Ld、Lq。因此，采用這些參數(shù)，與固定參數(shù)的模型比較，可在更廣的范圍內(nèi)達(dá)到高性能。

這一方法能用于可變速電動機(jī)驅(qū)動用PE 裝置系統(tǒng)的最佳化，圖4 所示為一例。藉電磁分析求得高精度的電動機(jī)參數(shù);藉控制及電路的模擬，能進(jìn)行控制系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)及電路損耗的計(jì)算。此時，還要求計(jì)算流過電動機(jī)的電流波形及其相位，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電磁場分析，則可計(jì)算出電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、電壓、損耗，特別是由變頻器載波電流導(dǎo)致的鐵損(漂移負(fù)荷損耗)也能計(jì)算。因此，對圖4所示的一連串分析、計(jì)算以后，可獲得高精度控制特性的同時，又求得了變頻器和電動機(jī)的損耗。在真機(jī)沒有試制之前，僅作分析就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化。

4 結(jié)語

可變速電動機(jī)驅(qū)動用PE 裝置的控制性能正在逐年提高，使用電動機(jī)的模型仍屬于按電路方程式建模水平。隨著市場需求的提高，今后，對自整定技術(shù)的高精度化，考慮電動機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的模型，以及與電磁場分析的結(jié)合等，預(yù)計(jì)均將進(jìn)一步地改進(jìn)開發(fā)。

為實(shí)現(xiàn)可變速電動機(jī)驅(qū)動用PE 裝置的高性能化，應(yīng)減小變頻器輸出電壓的誤差。不僅需要電動機(jī)的高精度模型，也需要與變頻器或放大器有關(guān)的高精度模型。此外，為控制電動機(jī)驅(qū)動負(fù)荷的操作，還需要高精度的負(fù)荷模型。只有各種模型的高精度化，才能確?？勺兯匐妱訖C(jī)驅(qū)動用PE裝置工作性能的全面提高。