負載轉矩前饋的電勵磁同步電機定子磁鏈定向矢量控制

尚敬，年曉紅，劉可安，南永輝（.中南大學信息科學與工程學院，湖南長沙 40004；.南車株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲 400）

負載轉矩前饋的電勵磁同步電機定子磁鏈定向矢量控制

尚敬1，2，年曉紅1，劉可安2，南永輝2
（1.中南大學信息科學與工程學院，湖南長沙 410004；2.南車株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲 412001）

∶針對大功率交直交冶金軋機主傳動系統對電勵磁同步電機控制的高性能要求，以定子磁鏈定向矢量控制為基礎，提出了一種混合型氣隙磁鏈觀測方法，其低速段采用電流模型，中高速提出基于速度補償的新型改進型電壓模型，可在全速度范圍內很好的觀測出電機定子磁鏈。提出了一種基于降階狀態觀測器的模糊自適應負載轉矩觀測方法，利用觀測到的負載轉矩電流進行前饋補償來改善動態性能。仿真和實驗結果表明所提出的控制策略的有效性。

∶電勵磁同步電機；定子磁鏈；負載轉矩觀測；模糊控制；矢量控制

0 引言

電勵磁同步電機（ElectricallyExcitedSynchronousMotor，EESM）具有高功率因數、高效率、強過載能力等優點，廣泛應用在冶金軋機主傳動等大功率、高性能傳動領域［1-2］。在冶金軋機傳動中，磁鏈觀測和負載轉矩觀測是EESM的兩個關鍵控制技術。

EESM的磁鏈觀測方案主要分為兩大類∶1）基于電機數學模型方案；2）基于狀態觀測器方案。數學模型方案有電壓模型方案、電流模型方案和混合模型方案。一般低速采用電流模型，中高速采用電壓模型，但是傳統的電壓模型存在著直流偏置和初始值誤差積累問題。文獻［3］中提出帶飽和反饋的低通濾波器代替純積分環節的電壓模型磁鏈方法，但存在限幅值設計困難等問題。文獻［4］中新電壓模型把積分器置于內環中，通過對反電勢的積分得到磁鏈的幅值，對同步轉速進行積分得到磁鏈的相位角，存在著在轉速變化、轉矩突變過程中動態性能較差的缺點。文獻［5］采用了一種低速電流模型和高速時的新電壓模型結合的混合模型辨識EESM氣隙磁鏈，其新電壓模型和文獻［4］描述的方法基本相同。文獻［6］提出一種二階廣義積分器的氣隙磁鏈觀測方法。文獻［7］提出了適用于全速范圍的全階閉環氣隙磁鏈觀測器，闡明了其內部基于濾波器特性的電流-電壓模型之間的平滑切換機理。這些算法動態效果不太理想，難于滿足負載變化劇烈的場合。

負載轉矩觀測并進行前饋補償主要目的是抑制冶金軋制過程中因負載變化造成的速度波動。文獻［8-10］介紹了滑模轉矩觀測方法在電機控制中的應用；但滑模控制器中存在抖振問題。文獻［11］建立了全階狀態觀測器和基于Kalman濾波器的負載轉矩觀測器，根據測量的電流、機械位置和轉速等參數對負載轉矩進行估計；Kalman濾波器缺點是設計復雜且計算量大，難以工業應用。文獻［12］設計了一種基于狀態觀測器的自適應控制辨識負載轉矩。文獻［13］提出了一種結合滑模控制的模型參考自適應擾動觀測器，能夠辨識出永磁電機負載轉矩和轉動慣量。文獻［14］描述一種外擾負載觀測器在抑制軋鋼擾動中的應用。

本文以EESM在交直交冶金軋機主傳動應用為研究背景，在定子磁鏈定向矢量控制下，結合文獻［4-6］的方法，提出一種低速采用電流模型、中高速基于轉速補償的改進型電壓模型的磁鏈觀測方法。為抑制動態速降，提出了一種基于降階狀態觀測器的模糊自適應負載轉矩觀測方法。通過仿真和實驗驗證了控制方案的有效性。

1 交直交冶金軋制傳動系統

交直交冶金軋機傳動系統框圖如圖1所示，主要由變壓器、網側變流器（變流器1、2）、網側控制器、機側變流器（變流器3、4）、機側控制器、同步電機（EESM1、EESM2）和勵磁單元組成。變壓器的次邊采用雙繞組可以降低10kV網側諧波，每個次邊繞組分別輸出3kV電壓為網側變流器供電。網側和機側變流器都采用二極管鉗位式三電平拓撲結構。網側控制器控制網側變流器工作在直流電壓閉環模式下，為傳動系統提供穩定的直流電壓。機側控制器協調控制機側變流器和勵磁單元，根據工藝要求使EESM工作在速度閉環模式下，為傳動系統提供動力。兩臺EESM的控制策略基本相同，僅以一臺電機為例進行闡述。

圖1 交直交軋機傳動系統框圖Fig.1 DiagramofAC-DC-ACrolldrivesystem

2 電勵磁同步電機定子磁鏈定向矢量控制

2.1 EESM的數學模型

EESM磁鏈定向方法有∶轉子磁鏈定向、定子磁鏈定向、氣隙磁鏈定向和阻尼磁鏈定向。阻尼磁鏈觀測模型過于復雜，在實際應用中很少采用；轉子磁鏈定向方式缺點是當負載增加時，定子電壓升高，功率因數降低；采用定子磁鏈定向和氣隙磁鏈定向均可實現高功率因數運行和寬調速范圍［1-2，7］。本文采用定子磁鏈定向，EESM在定子磁鏈定向下的空間矢量如圖2所示。定子磁鏈定向下，EESM在MT軸系下電壓方程∶

電機轉矩方程∶

式中∶usm和ism分別為M軸定子電壓和電流；ust和ist分別為T軸定子電壓和電流；Rs為定子電阻；ψs為定子磁鏈；ωs為電機同步角頻率；p為微分因子；Te為電磁轉矩；np為電機極對數。

圖2 電勵磁同步電機定子磁鏈定向空間矢量圖Fig.2 Statorflux-orientedvectorofEESM

2.2 定子磁鏈觀測

結合EESM定子磁鏈定向的特點，提出一種低速采用電流模型進行磁鏈觀測、中高速基于速度補償的改進型電壓模型進行磁鏈觀測的綜合磁鏈觀測方法。

2.2.1 基于電流模型的定子磁鏈觀測

電流模型如式（3）、式（4）所示，式（3）完成定子d、q磁鏈分量計算，式（4）根據磁鏈d、q分量和轉子角計算出電流模型的定子磁鏈幅值和定子磁鏈同步角。

電流模型結構簡單，但對電動機參數依賴性強，適用于電動機低速運行的情況。

2.2.2 基于新型電壓模型的定子磁鏈觀測

結合文獻［4-6］的方法，本文提出一種基于角頻率補償的新型電壓模型的定子磁鏈觀測方法。由式（1）可以得到

式中esm，est分別為電機定子電壓減去電阻壓降后的M軸電壓分量和T軸電壓分量。根據式（5），并用觀測器上標?以區別實際值，可得到

式（6）是在定子磁鏈定向準確下得到的結論，磁鏈觀測引人校正環節可以提高系統穩定性和動態準確性，本方法根據測量的角頻率（與速度成比例）對觀測模型進行修正為

式中∶eω為補償的反電勢量；Kp、Ki分別為調節器的比例和積分參數；ωe為實際測量角頻率。

式（6）中的磁鏈計算是基于穩態模型計算得來，為提高動態精度，作為系統輸出，設計基于動態幅值補償的控制為

綜合式（5）～式（8）得到基于速度補償的定子磁鏈電壓模型框圖，如圖3所示。

圖3 基于速度補償的新型定子磁鏈電壓模型Fig.3 Thenovelvoltage-modelofEESMstator fluxbasedonspeederrcompensated

圖3中，usα、usβ分別為兩相靜止坐標系下的電壓分量，isα、isβ分別為兩相靜止坐標系下的電流分量。

新型電壓模型的特點∶

1）整個結構僅包含定子電阻一個電機參數。

2）輸人量為∶usα、usβ、isα、isβ、ωe，相比傳統電壓模型，增加了測量角頻率。，

3）利用測量角頻率與估算角頻率之差的PI調節器輸出對T軸電壓和磁鏈幅值進行補償，有利提高磁鏈觀測的快速性和穩定性。

2.2.3 綜合磁鏈觀測模型

結合電流模型和新型電壓模型的特點，本控制方案中采用混合模型進行磁鏈觀測，混合模型如圖4所示。當電機速度絕對值小于10％額定速度采用電流模型，并且電流模型的幅值和角度輸出作為電壓模型初始值；電機速度大于25％采用電壓模型；速度在10％～25％時兩種模型采用自適應因子系數共同作用。

圖4 定子磁鏈混合模型Fig.4 Themixedstatorfluxmodel

2.3 負載轉矩觀測

機械運動方程∶

式中∶Tl為負載轉矩；ωm是旋轉角速度；B為摩擦系數；J為轉動慣量。

從式（9）可以看出，當負載轉矩突然變化時，如果電磁轉矩不能及時響應則必然造成轉速的較大變化，引人負載觀測器進行前饋補償來有效改善動態速降。本文構造具有自適應調節器的降階狀態觀測器進行負載轉矩觀測。

根據機械方程和降階觀測器原理可以設計EESM的降階觀測器為

式中k1、k2為觀測器的增益。

觀測器的特征方程∶

選取合適的k1、k2值以滿足合適的極點配置，從而滿足狀態量逼近求解值的速率要求，根據期望的極點α、β，觀測器的特征多項式為

則根據式（11）、式（12）可得

根據式（13）可得

利用轉速誤差經PI調節器輸出構造轉矩的原理，對上式進行修正定義，可得

零極點的配置和負載的加載時間有關，對于不確定的負載，目前沒有統一的極點配置方法，由式（14）～式（16）可知，不同的極點對應不同PI參數，為提高參數自適應能力，采用模糊自適應控制方法自動調節其kp、ki參數。相關模糊控制原理可參照文獻［15］，本方案模糊控制框圖如圖5所示。

圖5 參數自適應模糊控制框圖Fig.5 Schematicdiagramoffuzzyparametercontrol

根據式（2）、式（9）、式（15）、式（17）和圖5構造的負載轉矩電流觀測控制框圖如圖6所示。

2.4 矢量控制

圖7 定子磁場定向EESM矢量控制框圖Fig.7 VectorcontrolofEESMbased onstatorflux-oriented

3 仿真結果

采用Matlab對控制方案進行仿真以驗證方案的有效性，仿真過程中，電機內部參數固定，電機參數根據廠家提供的設計參數確定，主要電機參數∶額定功率為5000kW，額定電壓為3050V，額定電流為982A，額定轉速為30r/min，定子電阻為0.0583Ω，漏感為8.32mH，d軸互感為45.7mH，q軸互感為28.5mH。

圖8～圖10分別仿真了3種不同情況的仿真波形，圖中從上到下（分別對應第一至第四軸）的定義分別為∶第一軸∶速度給定、帶轉矩補償控制方案的速度反饋、不帶轉矩補償控制方案的速度反饋；第二軸∶實際負載轉矩、觀測負載轉矩；第三軸∶磁鏈給定幅值、磁鏈電流模型α軸分量和本文采用的磁鏈混合模型方案的α軸分量；第四軸∶帶轉矩補償控制的電機A相電流波形。

說明∶第一軸中引人不帶轉矩補償的速度反饋是作為效果對比用，仿真中兩種方案的其它情況都相同。第二軸中，由于電機參數固定，測量電流和轉子角準確，可以認為電流模型觀測到的磁鏈是實際磁鏈。

圖8仿真工況∶從1.5s到2.25s電機從0速加速到9r/min，3s施加額定轉矩負載，4.2s開始進行卸載，其中加、減載時間均為150ms。

圖9仿真工況∶電機2.8s運行到27r/min，在3s施加額定轉矩負載，4s開始進行卸載，其中加、減載時間為50ms。

圖8 電機速度從0到9r/min波形Fig.8 Waveformwhenthespeedisat fromzeroto9r/min

圖9 27r/min加減載波形Fig.9 Loadwaveformwhenthespeedisat27r/min

圖10仿真工況∶電機2.8s之前已經運行到27r/min并已經完成額定轉矩加載，在3s開始帶載加速，3.85s加速到45r/min，6s開始帶載減速，6.85s減速到27r/min。

圖10 帶載加減速工況仿真波形Fig.10 Waveformwhenthemotorisatacceleration anddecelerationprocess

從圖8～圖10可以看出∶

1）在各種速度范圍下、各種加減載工況下，混合磁鏈都能和實際磁鏈（電流模型觀測到的磁鏈）基本吻合，從而驗證了基于速度補償的新型電壓模型的正確性、穩定性和良好的動態適應性。

2）基于模糊參數自適應的降階負載轉矩觀測器能適應不同加載時間的負載，引人負載轉矩電流前饋補償明顯改善了控制的動態性能。

3）驗證了本文所述的基于定子磁鏈定向的電勵磁同步電機矢量控制方案的正確性和穩定性。

4 實驗結果

以集成門極換流晶閘管（IntegratedGateCommutatedThyristors，IGCT）作為功率器件，將自主研發的20MW交直交軋機主傳動變頻調速系統應用于某熱軋線的粗軋機主傳動系統中。現場兩臺同步電機如圖11所示。

圖11 軋機主傳動兩臺電機Fig.11 ThetwoEESMswhichusedto maindriveforroll

電機控制策略采用本文所述的基于轉矩電流前饋的定子磁鏈定向矢量控制，利用開發的CSR-drive軟件監視波形，圖12、圖13是現場實驗波形，分別監視了半橋直流電壓、速度（界面中乘以100顯示）、負載轉矩（單位∶kN.m）、電流等信息。

圖12工況∶運行到27r/min時進行加載，負載大約持續2.5s后卸載。

圖13工況∶27r/min完成加載后，大約0.7s完成帶載加速到36r/min。

圖12 27r/min帶轉矩前饋補償加載、卸載Fig.12 Loadchangedwaveformwhentorquecurrent feed-forwardcontrolisadoptedandthe speedisat27r/min

圖13 帶載加速波形Fig.13 Waveformwhenthemotorisat accelerationwithload

從圖12、圖13可以看出∶

1）在突然加載時，速度有小幅跌落（約2r/min），然后在300ms內快速恢復到給定速度；卸載時速度有稍微超調（大約1.5r/min）。然后快在250ms內快速恢復到給定速度。

2）電動機在恒速和加速過程中，速度反饋都能很好的跟蹤速度給定，電機電流都保持了良好的正弦性。

實驗證明了采用負載電流前饋控制方案的有效性。

5 結論

仿真和實驗數據證明表明基于負載轉矩前饋的定子磁鏈定向EESM矢量控制系統具有優良的調速性能。采用混合定子磁鏈觀測器，其低速段采用傳統的電流模型，中高速提出基于速度補償的改進型電壓模型，該方法能夠在全速度范圍內精確觀測定子磁鏈；采用模糊參數自適應的降階觀測器觀測負載轉矩，對轉矩電流進行前饋補償有效降低動態速降，明顯改善了傳動系統動態性能。

∶

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（編輯∶張詩閣）

Statorfluxorientedvectorcontrolofexcitedsynchronousmotor basedonloadtorqueobserverfeed-forwardcontrol

SHANGJing1，2，NIANXiao-hong1，LIUKe-an2，NANYong-hui2
（1.SchoolofInformationScienceandEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410004，China；2.CSRZhuzhouElectricLocomotiveResearchInstituteCo.，Ltd.，Zhuzhou412001，China）

∶Thestatorfluxorientedvectorcontrolstrategywasstudiedforelectricallyexcitedsynchronous motortosatisfythehighperformanceofrollingmillmaindrive.Amixedstatorfluxobserverwasusedto satisfythefullspeedrange.Themixobserverincludesacurrent-modelwhichisusedatlowspeedanda novelvoltage-modelwhichisusedathighspeedbasedonspeedcompensated.Toimprovethespeeddynamiticperformance，theloworderloadobserverforfeed-forwardtorquecurrentcontrolwasproposedin whichfuzzyadaptivecontrolwasadopted.Simulationandexperimentresultsdemonstratethestrategyis effective.

∶electricallyexcitedsynchronousmotor；statorflux；loadtorqueobserver；fuzzycontrol；vector control

∶TM341

∶A

∶1007-449X（2015）11-0025-07

∶2014-10-10

∶國家科技支撐計劃（2012BAF090B2）；國家自然科學基金（61075065）

∶尚 敬（1977—），男，博士研究生，高級工程師，研究方向為大功率交流電機傳動控制；

年曉紅（1965—），男，教授，博士生導師，研究方向為交流技術與傳動控制、復雜多體系統控制和優化；

劉可安（1971—），男，教授級高級工程師，研究方向為大功率交流傳動控制；

南永輝（1979—），男，高級工程師，研究方向為交流電機調速控制。

∶尚 敬

DOI∶10.15938/j.emc.2015.11.004