異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)研究

對于高性能的磁場定向控制系統(tǒng)，速度閉環(huán)是必不可少的，轉(zhuǎn)速閉環(huán)需要實時的電機轉(zhuǎn)速，目前速度反饋量的檢測多是采用光電脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或測速發(fā)電機。但是，許多場合下不允許安裝任何速度傳感器，此外安裝速度傳感器在一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，無速度傳感器控制的高性能通用變頻器是當(dāng)前全世界自動化技術(shù)和節(jié)能應(yīng)用中受到普遍關(guān)心的產(chǎn)品和開發(fā)課題。無速度傳感器磁場定向矢量控制技術(shù)的核心是如何準(zhǔn)確的獲取磁場定向角以及電機的轉(zhuǎn)速信息。2000年，日本電氣學(xué)會調(diào)查了日本各大電氣公司生產(chǎn)的無速度傳感器控制的通用變頻器，把無速度傳感器控制方式分為4類：定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補償法；感應(yīng)電動勢計算法；模型參考自適應(yīng)(MRAS)法；轉(zhuǎn)子磁鏈角速度計算法。其中感應(yīng)電動勢計算法和轉(zhuǎn)子磁鏈角速度計算法是基于電機數(shù)學(xué)模型來計算轉(zhuǎn)速，屬于開環(huán)計算轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速計算的精確度容易受到干擾，而定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補償法與MRAS法是基于閉環(huán)控制作用構(gòu)造轉(zhuǎn)速，可以抑制這種干擾。定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補償法結(jié)構(gòu)簡單，已在一些變頻器產(chǎn)品中得到應(yīng)用，但所產(chǎn)生的動態(tài)轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確性欠佳。MRAS法則基于轉(zhuǎn)子磁鏈觀測電壓模型與電流模型構(gòu)造轉(zhuǎn)速辨識模型，算法簡單，能實時跟蹤電機轉(zhuǎn)速變化。在此結(jié)合應(yīng)用SVPWM技術(shù)構(gòu)建了轉(zhuǎn)子磁場定向無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，采用MRAS法得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速辨識模型，對速度進行估算。利用Matlab／Simulink對系統(tǒng)進行仿真，以驗證所設(shè)計的控制系統(tǒng)的性能。

l 異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估算
1．1 轉(zhuǎn)子磁鏈的估算
    在轉(zhuǎn)子磁場定向異步電機元速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈難以直接測量。實際采用的是其觀測值，只有當(dāng)觀測值與實際值相等時，才能達(dá)到矢量控制的有效性。因此，準(zhǔn)確的獲得轉(zhuǎn)子磁鏈值是實現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵。
    按轉(zhuǎn)子磁場定向異步電機數(shù)學(xué)模型可推導(dǎo)出磁鏈的計算公式如下(推導(dǎo)過程略)，其中磁鏈的估算包括其幅值和角度。
   
式中：ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈；ωs為轉(zhuǎn)差角速度；ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；isd，isq為定子d，q軸電流；Tr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，Tr=Lr／Rr，Lm為定轉(zhuǎn)子互感；Lr為轉(zhuǎn)子電感；Rr為轉(zhuǎn)子電阻；θ為磁鏈角度，P=du／dt。
1．2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估算
    采用MRAS方法對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進行估計?；舅枷胧牵涸诋惒诫姍C兩相靜止坐標(biāo)系下，以不含有轉(zhuǎn)速變量的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測電壓模型為參考模型，含有轉(zhuǎn)速變量的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測電流模型為可調(diào)模型，利用波波夫超穩(wěn)定性理論設(shè)計自適應(yīng)辨識規(guī)律，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進行估計。異步電機兩相靜止α，β坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型如下兩式所示：

    式(2)不含有轉(zhuǎn)速變量，作為參考模型，式(3)含有轉(zhuǎn)速變量作為可調(diào)模型。在設(shè)計模型參考自適應(yīng)律時，將電流模型轉(zhuǎn)速變量看成常數(shù)作為參考模型，式(3)作為并聯(lián)估計模型：從而得到誤差方程：
    依據(jù)波波夫超穩(wěn)定性理論求解穩(wěn)態(tài)誤差，設(shè)計出比例加積分的自適應(yīng)律為：
   
式中：ki，kp為可調(diào)系數(shù)；ω0為給定估算轉(zhuǎn)速初值，可以任意給定，取ω0=0。至此，構(gòu)建出基于模型參考自適應(yīng)方法的轉(zhuǎn)速辨識模型。

2 仿真模型的建立
    異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)如圖1所示，主要包括三相異步電機模塊，SVPWM模塊，PI模塊，坐標(biāo)變換模塊，轉(zhuǎn)子磁鏈估算模塊，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估算模塊，逆變器模塊等。該系統(tǒng)主電路采用SVPWM調(diào)制逆變器，控制電路中，給定轉(zhuǎn)速與估算轉(zhuǎn)速經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩，與估算磁鏈值計算得到電流isq，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過PARK逆變換得到兩相靜止電壓，經(jīng)過SVPWM調(diào)制，控制逆變器電壓輸出，進而控制三相異步電機。SVPwM控制的基本思想是將電機與逆變器看成一個整體，最終在電機內(nèi)部形成圓形磁場，以達(dá)到更好的控制效果，SVPWM控制的仿真模型如圖2所示。

    異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈依據(jù)式(1)估算，仿真模型如圖3所示。異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估算模型如圖4所示，依據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測電壓模型與電流模型，采用MRAS法辨識。在仿真調(diào)試過程中，加入一階傳函近似為低通濾波器，對輸出估算轉(zhuǎn)速進行處理。仿真結(jié)果有明顯的改善。

　

3 仿真結(jié)果分析
    無速度傳感器矢量控制仿真系統(tǒng)所采用電機的參數(shù)為：Pn=2．2 kW，Rs=O．435Ω，Rr=O．816Ω，Lm=0．0693H，L1s=L1r=0．002H，轉(zhuǎn)動慣量J=O．02kg·m2，極對數(shù)Np=1。電機空載運行，初始給定速度為120 rad／s，當(dāng)t=O．5s時，改變速度為60 rad／s。在啟動時，當(dāng)t=O.1-2s時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速就達(dá)到了穩(wěn)定，當(dāng)給定速度在t=O．5s時發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速輸出在t=O．56s時再次達(dá)到穩(wěn)定，仿真結(jié)果如圖5所示。

    從仿真結(jié)果圖可以看出該系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，能實時跟蹤電機實際速度的變化。

4 結(jié)語
    基于MRAS方法構(gòu)建異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速辨識模型，與SVPWM技術(shù)相結(jié)合，在Matlab／Sireulink環(huán)境下設(shè)計出異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。通過計算機仿真，驗證了該系統(tǒng)能夠?qū)崟r辨識電機轉(zhuǎn)速，具有良好的動態(tài)性能，對實際工程應(yīng)用的實現(xiàn)具有一定的理論指導(dǎo)意義。但在電機的實際運行過程中，電機參數(shù)會隨著運行環(huán)境的變化而發(fā)生改變，這時電機轉(zhuǎn)子磁鏈與速度的估算就會不準(zhǔn)確，因而在對實際系統(tǒng)的應(yīng)用研究中，有必要對轉(zhuǎn)子電阻進行在線辨識，從而準(zhǔn)確估算出轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)速。為了提高無速度傳感器控制系統(tǒng)的性能，對電機參數(shù)進行實時辨識是今后研究的一個方向。