电动机控制中的高精度建模技术

2.3 实时模拟装置

实时模拟器是将PE装置的滋s级现象与电动机及负荷等的秒—分级现象同时处理的装置。由于以前就采用了对电力系统瞬时值的实时分析计算，也由于迄今CPU 及数字模拟技术的进步，在电动机控制领域中，正在不断推广应用实时模拟装置。

图3为实时模拟装置的应用形式。图3(a)是对变频器和电动机进行的实时模拟，能代替实际设备用于控制器的试验。优点是在没有实际设备时也能完成试验，容易设定实验条件以及可进行危险性试验等。

图3(b)为实时执行的控制算法，驱动实际的变频器和电动机，被称为快速设计原型(prototyping)，即使未试制出专用的原型，也能实时试验。最近的实时模拟装置，与通常的数字仿真一样使用方便，能进行实时试验，取样周期为50 滋s左右。由于采用了FPGA(场可编门阵列)等，能实现10 滋s以下的高速化。今后在速度上将继续提高，可望进一步扩大应用范围。

高精度的模型提高了与真机的等值性，这与提高实时性缩短运算时间二者之间存在折衷关系。因为在实时模拟装置中模型的重要性，故着重要求提高模型的精度和性能。

3 模型的高精度化

3.1 有关模型的课题

可变速电动机驱动中，作为模型高精度化的一个例子，选取永磁式同步电动机，以励磁作用的磁通方向为d轴，与其正交的方向为q 轴。把模型置于dq轴组成的旋转坐标系中，优点是可将电压与电流作为直流来处理。

这一模型由于其处理简单而多被采用。但在抑制电动机控制中产生的转矩脉动时，以及优化变频器和电动机整个系统的损耗时，仍按式(3)建模就不适用，必须将模型的参数作表格化之类的处理改进，这种场合下存在以下三个课题。

1)模型参数的提取由上式可知，电动机的模型是用电路方程式描述的，但不能反映电动机的结构及铁心等材料的特性。因此，为获得详细的模型参数，需要测定真机的电气特性。

2)模型的工作范围在特定的电压、电流、转速条件下，若求得模型参数，只要测定一点就行，但变速电动机驱动时，电动机的电压、电流、转速均在0~100%以上的范围内变化，模型参数的电压、电流、转速之间存在相互依赖性问题。故在条件改变下进行测定，须按照依赖性列出的表格或按近似式来模拟参数的变化。

3)高次谐波的影响为对附加于基波特性上的转矩脉动进行模拟，应考虑谐波成分的影响，掌握了椎fa 与转子位置的依存关系，才能将转矩脉动简易地模型化。

本文提出了与电磁场分析结合的方法，以解决上述课题。藉电磁场分析求知电动机参数之间的依赖关系。由此，尽管采用目前的d-q 轴模型，也能提高模型的精确度。

从表1可见，电动机模型高精度化的概况，不仅要求改进现有的d-q 轴模型，而且要求由电动机模型能反映其结构与材料特性的精确模型，因这样的模型用于PE系统的控制分析，装入与d-q 轴模型同样的控制程序后，就能容易与控制模拟器和电动机电路模拟器组合。

3.2 与电磁场分析的结合

由上节所述，与电磁场分析结合的电动机模型可取得高精度化的成果，通过电磁场的分析，因能对永磁电动机负载时的交链磁通进行分析，故可计算出基于磁通方程式(4)的电感值。

在这种情况下，由磁体产生的磁通

，与由d轴电流产生的磁通LdId不能分离，故进行了对微小改变d轴电流的分析，并假定相应这一微小变化导致磁饱和的影响相同。由两个分析结果可将

与LdId分离。若按此法，能考虑到磁饱和的影响，并求知与电流有依赖关系的电动机参数

、Ld、Lq。因此，采用这些参数，与固定参数的模型比较，可在更广的范围内达到高性能。

这一方法能用于可变速电动机驱动用PE 装置系统的最佳化，图4 所示为一例。藉电磁分析求得高精度的电动机参数;藉控制及电路的模拟，能进行控制系统的最佳设计及电路损耗的计算。此时，还要求计算流过电动机的电流波形及其相位，在此基础上进行电磁场分析，则可计算出电动机的转矩、电压、损耗，特别是由变频器载波电流导致的铁损(漂移负荷损耗)也能计算。因此，对图4所示的一连串分析、计算以后，可获得高精度控制特性的同时，又求得了变频器和电动机的损耗。在真机没有试制之前，仅作分析就可实现系统的优化。

4 结语

可变速电动机驱动用PE 装置的控制性能正在逐年提高，使用电动机的模型仍属于按电路方程式建模水平。随着市场需求的提高，今后，对自整定技术的高精度化，考虑电动机结构特点的模型，以及与电磁场分析的结合等，预计均将进一步地改进开发。

为实现可变速电动机驱动用PE 装置的高性能化，应减小变频器输出电压的误差。不仅需要电动机的高精度模型，也需要与变频器或放大器有关的高精度模型。此外，为控制电动机驱动负荷的操作，还需要高精度的负荷模型。只有各种模型的高精度化，才能确保可变速电动机驱动用PE装置工作性能的全面提高。