ВЫБОР СИСТЕМЫ ПОЛЕОРИЕНТИРОВАНИЯ ПРИ ВЕКТОРНОМ УПРАВЛЕНИИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
Vector control algorithms that based on stator and rotor flux orientation are considered. Criteria for assessing of algorithms properties are developed. The results of theoretical analysis of indirect field oriented algorithms for induction motors are presented. Experimentally substantiated robust p...
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1107 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technical Electrodynamics |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technical Electrodynamics| _version_ | 1870203766451470336 |
|---|---|
| author | Пересада, С.М. Ковбаса , С.Н. Онанко , А.Ю. |
| author_facet | Пересада, С.М. Ковбаса , С.Н. Онанко , А.Ю. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "С.М. Пересада",
"institution": "Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина"
},
{
"author": "С.Н. Ковбаса ",
"institution": "Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина"
},
{
"author": "А.Ю. Онанко ",
"institution": "Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина"
}
] |
| author_sort | Пересада, С.М. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2023-01-10T12:06:36Z |
| description | Vector control algorithms that based on stator and rotor flux orientation are considered. Criteria for assessing of algorithms properties are developed. The results of theoretical analysis of indirect field oriented algorithms for induction motors are presented. Experimentally substantiated robust properties of stator field oriented systems with respect to rotor resistance variations. References 4, figures 3. |
| first_indexed | 2026-06-16T01:19:25Z |
| format | Article |
| fulltext |
102 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ
УДК 681.5:62-83
ВЫБОР СИСТЕМЫ ПОЛЕОРИЕНТИРОВАНИЯ ПРИ ВЕКТОРНОМ УПРАВЛЕНИИ
АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
С.М.Пересада, докт.техн.наук, С.Н.Ковбаса, канд.техн.наук, А.Ю.Онанко
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»,
пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина. E-mail: skovbasa@ukr.net
Разработаны критерии оценивания и представлены результаты теоретического анализа свойств алгоритмов
косвенного векторного управления асинхронными двигателями, синтезированных с использованием концепций
полеориентирования по вектору потокосцепления статора и ротора. Экспериментально показано, что сис-
темы с ориентированием по вектору потокосцепления статора имеют более высокие свойства робастности
к параметрическим возмущениям по сравнению со стандартными решениями при ориентации по вектору по-
токосцепления ротора. Библ. 4, рис. 3.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, косвенное векторное управление, полеориентирование.
Введение. Концепция полеориентирования является основой построения систем векторного управле-
ния асинхронными двигателями (АД) с короткозамкнутым ротором [1] как прямого, так и косвенного. При этом
в большинстве алгоритмов используется ориентированная по вектору потокосцепления ротора система коорди-
нат, хотя полеориентирование может осуществляться и по другим векторам потокосцепления АД: статора и ос-
новного магнитного потока.
Поскольку АД как объект управления является многомерным и нелинейным, то результаты, получен-
ные в 1990-х [2, 3] с использованием упрощенных подходов, не дают определенного ответа о целесообразности
применения каждой из систем полеориентирования. В этой связи целью настоящего исследования является раз-
работка критериев оценки, а также анализ свойств алгоритмов векторного управления при ориентации по раз-
ным опорным векторам АД.
Свойства полеориентированных систем координат. Критерии оценки. Использование в качестве
опорного вектора основного магнитного потока, проходящего через воздушный зазор, имеет смысл, если его
измерение осуществляется с помощью датчиков в зазоре АД, поэтому здесь не рассматривается.
Основным преимуществом полеориентирования по вектору потокосцепления ротора является простота
развязки процессов управления моментом и потоком при измерении токов статора и угловой скорости ротора (в
бездатчиковых системах без измерения угловой скорости). При этом в полеориентированной системе координат
полевая компонента регулирует поток АД, в то время как момент при постоянном потоке прямо пропорционален
моментной компоненте тока статора. Это свойство достигается как при декомпозиции исходной модели АД на две
связанные электромеханическую–электромагнитную, так и механическую–электрическую подсистемы. Первая
декомпозиция является классической в векторном управлении и достигается за счет полеориентированного пре-
образования координат. Вторая является следствием строгой пассивности электрической подсистемы АД.
Полеориентирование с ориентацией по вектору потокосцепления статора является более сложным, по-
скольку динамическое поведение модуля вектора потокосцепления статора зависит как от полевой, так и от
моментной компонент вектора тока статора. Впервые задача асимптотической отработки момента и модуля
вектора потокосцепления статора решена в [4]. Показано, что при косвенном векторном управлении полеориен-
тирование возможно только при декомпозиции механическая–электрическая подсистемы. В [4] для этой деком-
позиции также дано общетеоретическое решение для случая ориентации по вектору потокосцепления ротора.
Для сравнения эффективности алгоритмов векторного управления при ориентации по векторам пото-
косцепления ротора и статора приняты следующие критерии: достигаемые динамические показатели, вырож-
денность алгоритма; робастность к параметрическим возмущениям; соотношение момент-ток; характеристики
активных потерь; достигаемый максимальный момент при ограничении напряжения, в том числе при ослабле-
нии поля; влияние насыщения магнитной системы АД. Важными также являются сложность практической реа-
лизации и настройки системы.
Алгоритмы косвенного векторного управления моментом и потоком [4]. Структура алгоритмов
управления моментом-потоком с асимптотической ориентацией по вектору потокосцепления ротора или стато-
ра схожа и включает двумерный регулятор токов, реализованный в синхронной системе координат, и нелиней-
ный регулятор потока, который обеспечивает отработку модуля вектора потокосцепления (статора или ротора)
и асимптотическое полеориентирование. Заданное значение моментной компоненты тока статора *
1qi рассчиты-
вается из заданной траектории момента АД *M .
© Пересада С.М., Ковбаса С.Н., Онанко А.Ю., 2014
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4 103
Регуляторы вектора потокосцепления имеют вид
( )* * *
1d 2 2 mi L= αψ + ψ α& , (1)
( )* * *
0 0 2 2 m 1q 2 q 2; L i vε = ω = ω + ω ω = α ψ + ψ& − (2)
при ориентации по вектору поткосцепления ротора и
( )* * * * *
1d m 1d 2 1q di L 1 i i z z= −α β + + ω + α + + ξ& & , (3)
( ) ( )* * * *
0 0 2 2 m 1q 1q q 1d; L 1 i i z i⎡ ⎤ε = ω = ω + ω ω = α β + + + ξ −⎣ ⎦
&& − (4)
при ориентации по вектору потокосцепления статора.
В (1), (2) и (3), (4) обозначено: *
1di , 0ε – заданные значения полевой компоненты тока статора и углово-
го положения синхронной системы координат; *
2 0ψ > , * 1 *
1z 0−= σ ψ > – заданные значения для модулей векто-
ра потокосцепления ротора и статора; qv , dξ , qξ – дополнительные корректирующие сигналы; ( )m, L , ,α β σ –
положительные константы модели АД [4].
Уравнения динамики ошибок отработки для алгоритмов регуляторов (1), (2) и (3), (4) в случае точно
известных параметров одинаковы, если их преобразовать к одинаковым переменным. Следовательно, при от-
сутствии параметрических возмущений достигаемые динамические показатели одинаковы. Вместе с тем урав-
нения регулятора (1), (2) при полеориентировании по вектору потокосцепления ротора проще в сравнении с (3),
(4) и не содержат вырожденности при *
2 0ψ > , в то время как алгоритм при статорном полеориентировании (3),
(4) вырожден при * *
1dz i= .
Важным свойством алгоритмов регуляторов (1), (2) и (3), (4), которое целенаправленно достигнуто при
проектировании, является наличие корректирующих сигналов qv и ( )d q,ξ ξ , которые могут быть сформирова-
ны для коррекции динамики системы и улучшения ее свойств робастности при действии параметрических воз-
мущений. Структура регулятора (3), (4) при статорном полеориентировании позволяет впервые сформировать
полный двумерный вектор корректирующих обратных связей, в то время как регулятор (1), (2) имеет лишь
один корректирующий сигнал qv . Наличие полного вектора корректирующих связей потенциально дает воз-
можность получения новых свойств системы полеориентирования как с позиций ее робастности, так и адапта-
ции к параметрическим возмущениям.
Результаты экспериментального тестирования. Полномасштабные экспериментальные исследова-
ния выполнены на экспериментальной установке, которая включает в себя: асинхронный двигатель мощностью
0.75 кВт (номинальный момент 2.5 Нм); силовой преобразователь с автономным инвертором напряжения;
управляющий контроллер на основе цифрового сигнального
процессора TMS320F28335; фотоимпульсный датчик скорос-
ти с разрешающей способностью 1000 имп./об; персональ-
ный компьютер для программирования и визуализации пе-
реходных процессов.
Алгоритмы тестировались в режиме регулирования
угловой скорости при одинаковых настройках регуляторов.
Тесты производились с использованием следующей после-
довательности операций управления АД: в начальный мо-
мент времени выполняется возбуждение АД по заданной
траектории потокосцепления ротора, показанной на рис. 1; в
момент времени 0.6 c от ненагруженного двигателя требует-
ся отработать заданную траекторию угловой скорости
( )* tω , которая начинается с нулевого значения и достигает
50 рад/с; при работе АД с постоянной скоростью к его валу
при t 1= c прикладывается, а при t 2= c снимается посто-
янный момент нагрузки cM , близкий к номинальному.
В результате выполнения экспериментов установле-
но, что при известных параметрах АД, сравниваемые алго-
ритмы имеют примерно одинаковую динамику регулирова-
ния угловой скорости, представленную на рис. 2, где показа-
ны графики переходных процессов ошибки отработки угловой скорости, определенной как *ω = ω − ω% , где ω –
угловая скорость ротора, и моментной составляющей вектора тока статора qi .
На рис. 3 показаны динамические процессы в робастифицированных с помощью корректирующих об-
ратных связей системах векторного управления соответственно при статорном и роторном полеориентировани-
0 0.5 1 1.5 2
20
40
60
( )* tω , рад/с; ( )cM t , Нм⋅10
t,s
0
0.2
0.4
0.6
1
( )*
2 tψ , Вб
( )cM t
0
0 0.5 1 1.5 2 t,s
( )* tω
0.8
Рис. 1
0 0.5 1 1.5 2
-5
0
5
ω% , рад/с
t,s
-1
0
1
3 qi , А
0 0.5 1 1.5 2 t,s
2
Рис. 2
0 0.5 1 1.5 2
-5
0
5
ω% , рад/с
t,s
-1
0
1
3 qi , А
0 0.5 1 1.5 2 t,s
2
а) ориентирование по статору
b) ориентирование по ротору
104 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4
ях, полученные при вариации активного сопротивления ро-
тора 2 2R̂ 2R= , где 2R̂ – значение сопротивления ротора,
которое используется в алгоритме управления, 2R – ис-
тинное сопротивление роторной цепи. При выполнении
экспериментов вариация вводилась в алгоритм управления,
то есть в управляющем контроллере задавалось значение,
которое отличается от истинного. При выполнении тестов
с вариацией 2R номинальный момент нагрузки приклады-
вался при t 1= с и поддерживался постоянным до конца
теста.
Сравнивая результаты тестов на рис. 2 и рис. 3, ус-
танавливаем, что алгоритм, использующий статорное по-
леориентирование, имеет более высокие свойства робаст-
ности к вариациям активного сопротивления ротора, что
проявляется в отсутствии роста моментной составляющей
тока статора по сравнению со случаем, когда параметры известны. Это, в свою очередь, свидетельствует о ро-
бастной стабилизации модуля вектора потокосцепления на заданном уровне и поэтому более высокой энерге-
тической эффективности процесса электромеханического преобразования энергии. Показатели качества регу-
лирования угловой скорости в условиях эксперимента сохраняются на номинальном уровне для обоих алгорит-
мов.
Заключение. Как следует из анализа литературных источников, положительные свойства ориентиро-
ванных по статору систем в полной мере не исследованы. В данной работе обоснованы положительные струк-
турные свойства статорно-ориентированных алгоритмов векторного управления, а также экспериментально
подтверждены их повышенные свойства робастности к вариациям активного сопротивления роторной цепи. Ре-
зультаты исследования обуславливают актуальность разработки и исследования новых алгоритмов векторного
управления АД со статорным полеориентированием.
УДК 681.5:62-83
ВИБІР СИСТЕМИ ПОЛЕОРІЄНТУВАННЯ ПРИ ВЕКТОРНОМУ КЕРУВАННІ АСИНХРОННИМИ ДВИГУНАМИ
С.М.Пересада, докт.техн.наук, С.М.Ковбаса, канд.техн.наук, А.Ю.Онанко
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»,
пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна. E-mail: skovbasa@ukr.net
Розроблено критерії оцінювання та представлено результати теоретичного аналізу властивостей алгоритмів
непрямого векторного керування асинхронними двигунами, синтезованих з використанням концепцій полеорієн-
тування за вектором потокозчеплення статора і ротора. Експериментально показано, що системи з орієнту-
ванням за вектором потокозчеплення статора мають більш високі властивості робастності до параметрич-
них збурень у порівнянні зі стандартними системами при орієнтації за вектором потокозчеплення ротора.
Бiбл. 4, рис. 3.
Ключові слова: асинхронний двигун, непряме векторне керування, полеорієнтування.
SELECTION OF FIELD ORIENTATION IN VECTOR CONTROLLED INDUCTION MOTOR DRIVES
S.M.Peresada, S.M.Kovbasa, A.Yu.Onanko
National Technical University of Ukraine “Kiev Polytechnic Institute”,
pr. Peremohy, 37, Kiev, 03056, Ukraine. E-mail: skovbasa@ukr.net
Vector control algorithms that based on stator and rotor flux orientation are considered. Criteria for assessing of algo-
rithms properties are developed. The results of theoretical analysis of indirect field oriented algorithms for induction
motors are presented. Experimentally substantiated robust properties of stator field oriented systems with respect to ro-
tor resistance variations. References 4, figures 3.
Key words: induction motor, indirect field oriented control, field orientation.
1. Novotny D.W., Lipo T.A. Vector Control and Dynamics of AC Drives. – Oxford University Press, USA, 1996. – 456 p.
2. De Doncker R.W., Profumo F., Pastorelli M., Ferraris P. Comparison of Universal Field Oriented (UFO) Сontrollers in
Different Reference Frames // IEEE Trans. On Power Electronics, – 1995. – Vol. 10. − No. 2. – Pp. 205–213.
3. De Doncker R.W. Parameter sensitivity of indirect universal field oriented controllers // Conf. Rec. PESC ’91, Boston, MA.
– 1991. – Pp. 605–612.
4. Peresada S., Tilli A., Tonielli A. New passivity based speed-flux tracking controllers for induction motor // Industrial Elec-
tronics Society, 26th Annual Conf. of the IEEE, IECON’2000. – 2000. – Pp. 1099–1104.
0 0.5 1 1.5 2
ω% , рад/с
t,s
-1
0
1
3
qi , А
0 0.5 1 1.5 2 t,s
2
0 0.5 1 1.5 2
ω% , рад/с
t,s -1
0
1
qi , А
0 0.5 1 1.5 2 t,s
2
3
-4
-3
-2
1
-1
0
-4
-3
-2
1
-1
0
Рис. 3
а) ориентирование по статору
b) ориентирование по ротору
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4 105
Надійшла 17.02.2014
|
| id | techned_org_ua-article-1107 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-16T01:19:25Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/0d/2bed7f57e7b8335c7f12457b2d00920d.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-11072023-01-10T12:06:36Z SELECTION OF FIELD ORIENTATION IN VECTOR CONTROLLED INDUCTION MOTOR DRIVES ВЫБОР СИСТЕМЫ ПОЛЕОРИЕНТИРОВАНИЯ ПРИ ВЕКТОРНОМ УПРАВЛЕНИИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ Пересада, С.М. Ковбаса , С.Н. Онанко , А.Ю. induction motor indirect field oriented control field orientation асинхронный двигатель косвенное векторное управление полеориентирование Vector control algorithms that based on stator and rotor flux orientation are considered. Criteria for assessing of algorithms properties are developed. The results of theoretical analysis of indirect field oriented algorithms for induction motors are presented. Experimentally substantiated robust properties of stator field oriented systems with respect to rotor resistance variations. References 4, figures 3. Разработаны критерии оценивания и представлены результаты теоретического анализа свойств алгоритмов косвенного векторного управления асинхронными двигателями, синтезированных с использованием концепций полеориентирования по вектору потокосцепления статора и ротора. Экспериментально показано, что системы с ориентированием по вектору потокосцепления статора имеют более высокие свойства робастности к параметрическим возмущениям по сравнению со стандартными решениями при ориентации по вектору потокосцепления ротора. Библ. 4, рис. 3. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2014-06-25 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1107 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 4 (2014): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 102 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 4 (2014): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 102 2218-1903 1607-7970 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1107/982 Авторське право (c) 2023 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | асинхронный двигатель косвенное векторное управление полеориентирование Пересада, С.М. Ковбаса , С.Н. Онанко , А.Ю. ВЫБОР СИСТЕМЫ ПОЛЕОРИЕНТИРОВАНИЯ ПРИ ВЕКТОРНОМ УПРАВЛЕНИИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ |
| title | ВЫБОР СИСТЕМЫ ПОЛЕОРИЕНТИРОВАНИЯ ПРИ ВЕКТОРНОМ УПРАВЛЕНИИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ |
| title_alt | SELECTION OF FIELD ORIENTATION IN VECTOR CONTROLLED INDUCTION MOTOR DRIVES |
| title_full | ВЫБОР СИСТЕМЫ ПОЛЕОРИЕНТИРОВАНИЯ ПРИ ВЕКТОРНОМ УПРАВЛЕНИИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ |
| title_fullStr | ВЫБОР СИСТЕМЫ ПОЛЕОРИЕНТИРОВАНИЯ ПРИ ВЕКТОРНОМ УПРАВЛЕНИИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ |
| title_full_unstemmed | ВЫБОР СИСТЕМЫ ПОЛЕОРИЕНТИРОВАНИЯ ПРИ ВЕКТОРНОМ УПРАВЛЕНИИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ |
| title_short | ВЫБОР СИСТЕМЫ ПОЛЕОРИЕНТИРОВАНИЯ ПРИ ВЕКТОРНОМ УПРАВЛЕНИИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ |
| title_sort | выбор системы полеориентирования при векторном управлении асинхронными двигателями |
| topic | асинхронный двигатель косвенное векторное управление полеориентирование |
| topic_facet | induction motor indirect field oriented control field orientation асинхронный двигатель косвенное векторное управление полеориентирование |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1107 |
| work_keys_str_mv | AT peresadasm selectionoffieldorientationinvectorcontrolledinductionmotordrives AT kovbasasn selectionoffieldorientationinvectorcontrolledinductionmotordrives AT onankoaû selectionoffieldorientationinvectorcontrolledinductionmotordrives AT peresadasm vyborsistemypoleorientirovaniâprivektornomupravleniiasinhronnymidvigatelâmi AT kovbasasn vyborsistemypoleorientirovaniâprivektornomupravleniiasinhronnymidvigatelâmi AT onankoaû vyborsistemypoleorientirovaniâprivektornomupravleniiasinhronnymidvigatelâmi |