曾曉斌，李全

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基于MRAS的無速度傳感器矢量變換控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

曾曉斌，李全

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

為了能精確控制和檢測(cè)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)了一款無速度傳感器的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，采用矢量控制對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并且利用MRAS方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行推算. 本文利用Matlab/simlink構(gòu)建了本系統(tǒng)的模型并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)能精確地控制并檢測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度，并且轉(zhuǎn)速對(duì)負(fù)載擾動(dòng)有良好的抗干擾性.

無速度傳感器；MRAS；矢量控制

矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的. 目前矢量控制的研究方向主要是提高轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性和魯棒性. 由于使用速度傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本且在不同的溫、濕度等條件下也會(huì)影響其精確性[1]，為了避免使用速度傳感器帶來的問題，本文采用模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)Model Reference Adaptive System（MRAS）方法辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速. 目前廣泛應(yīng)用的無速度傳感器模塊主要分為以下4類：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算法、轉(zhuǎn)子磁鏈角速度計(jì)算法、定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補(bǔ)償法和MRAS法. 前兩者推算的轉(zhuǎn)速容易受干擾影響，定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補(bǔ)償法的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確性較差，而MRAS法則能實(shí)時(shí)跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速變化.

1 矢量控制系統(tǒng)

由于異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，要想在動(dòng)態(tài)中準(zhǔn)確地控制異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是比較困難的. 矢量控制的目的是通過矢量坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)的物理模型等效為他勵(lì)直流電機(jī)的模型，將交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)換成為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制[2].

圖1 三相電流閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速推算

MRAS基本思想是選取轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓方程作為參考模型、電流方程作為可調(diào)模型分別計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈，將兩個(gè)模型輸出的轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行對(duì)比，最后通過PI控制器估算得出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速[5].

2.1 電流模型法

注：圖中表示兩系數(shù)相乘的關(guān)系

2.2 電壓模型法

圖3 轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證推算電機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確性，采用Matlab中的simulink工具箱搭建系統(tǒng)模型，并進(jìn)行仿真，仿真的系統(tǒng)模型如圖4所示，圖5為根據(jù)MRAS方法搭建的轉(zhuǎn)速推算模塊. 系統(tǒng)主要包括交流電機(jī)、逆變器、PWM生成模塊、轉(zhuǎn)速推算模塊和3個(gè)PI調(diào)節(jié)器.

圖4 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真模型

圖5 轉(zhuǎn)速推算模塊

圖6 定子A相電流

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩

圖8 轉(zhuǎn)子磁鏈幅值

圖9 轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡

圖10 轉(zhuǎn)子估算轉(zhuǎn)速

圖11 轉(zhuǎn)子檢測(cè)轉(zhuǎn)速

比較圖10、圖11，電機(jī)在啟動(dòng)過程中兩組轉(zhuǎn)速都平緩上升，轉(zhuǎn)速到達(dá)給定轉(zhuǎn)速后，估算轉(zhuǎn)速有小幅度的波動(dòng)，檢測(cè)轉(zhuǎn)速則相對(duì)平緩，兩者相差很小. 電機(jī)0.6 s加載后，轉(zhuǎn)子檢測(cè)轉(zhuǎn)速略有下降后能保持穩(wěn)定；估算轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)，此時(shí)通過調(diào)節(jié)PI控制器的比例、積分環(huán)節(jié)可以盡可能地減少波動(dòng). 可見，本系統(tǒng)采用MRAS法搭建的轉(zhuǎn)速估算模型估算到的轉(zhuǎn)速符合工程需求.

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方法，采用轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)控制，不僅具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，而且能減少負(fù)載波動(dòng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，具有強(qiáng)魯棒性. 調(diào)速控制系統(tǒng)仿真結(jié)果表明電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩對(duì)負(fù)載擾動(dòng)有良好的響應(yīng)，并且MRAS方法估測(cè)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速相差較少，說明本系統(tǒng)在無速度傳感器下能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速估測(cè)，可以廣泛應(yīng)用在工程實(shí)踐中. 但是推算的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后有小幅度的波動(dòng)，與實(shí)際轉(zhuǎn)速有一定差異，并且電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)波動(dòng)更嚴(yán)重. 后續(xù)的工作將是尋找更優(yōu)的轉(zhuǎn)速估計(jì)方法提高轉(zhuǎn)速估測(cè)的精度，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能.

[1] 周淵深. 交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真[M]. 北京：中國電力出版社，2007.

[2] 張興華. 基于Simulink/PSB的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005, 17(9): 2099- 2103.

[3] 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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[6] 張?jiān)虑郏χ氐?，張志林，? 基于MRAS的異步電動(dòng)機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2007(8): 20-23.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

Design and Simulation of Speed Sensorless Vector Control System Based on MRAS

ZENGXiao-bin, LIQuan

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In order to control and detect the speed of asynchronous motors, a control system is designed. Vector control is used for control of speed, and an MRAS method is used for calculating the rotation rate of the motor. Finally, a simulation model is established under MATLAB/Simulink. The simulation results show that the speed control system can accurately control and detect the rotor speed and the speed has good resistance to load disturbance.

speed sensorless; MRAS; vector control

1006-7302（2013）04-0057-05

TM343

A

2013-07-11

曾曉斌（1986—），男，廣東江門人，在讀碩士生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)拖動(dòng)與控制；李全，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳白詣?dòng)控制.