蘇亮亮，魏玲玲

(1.大連理工大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024;2.鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院 信息工程系，鄭州 451200)

異步電機(jī)定子磁場(chǎng)定向無(wú)速度傳感器矢量控制研究

蘇亮亮1，魏玲玲2

(1.大連理工大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024;2.鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院 信息工程系，鄭州 451200)

針對(duì)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向RFO矢量控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)的過(guò)度依賴(lài)問(wèn)題，提出了一種基于定子磁場(chǎng)定向SFO的無(wú)速度傳感器矢量控制算法。該算法采用轉(zhuǎn)差頻率ωs經(jīng)PI調(diào)節(jié)器直接控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分量isq，通過(guò)一種具有飽和限幅的改進(jìn)積分器觀(guān)測(cè)定子磁鏈ψs，運(yùn)用模型參考自適應(yīng)MRAS估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的雙閉環(huán)控制。通過(guò)Matlab/Simulink對(duì)該控制算法進(jìn)行大中小容量電機(jī)的低速空載及負(fù)載條件下的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法在參數(shù)整定合適的前提下適用于各種容量的交流電機(jī)，轉(zhuǎn)速的估計(jì)值與實(shí)測(cè)值一致，系統(tǒng)具有良好的靜動(dòng)態(tài)性能。

定子磁場(chǎng)定向；PI調(diào)節(jié)器；模型參考自適應(yīng)；無(wú)速度傳感器

0 引 言

目前的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)均需要實(shí)時(shí)速度反饋信號(hào)，常見(jiàn)的速度檢測(cè)方法多采用光電編碼盤(pán)、旋轉(zhuǎn)變壓器及測(cè)速發(fā)電機(jī)等，但這些傳感器的安裝增加成本的同時(shí)降低了系統(tǒng)的魯棒性；安裝的過(guò)程中存在一個(gè)同心度的問(wèn)題，速度反饋信號(hào)的精度也受一定影響[1]；電力機(jī)車(chē)牽引等工業(yè)場(chǎng)合由于溫度高且空間有限不適合安裝光電碼盤(pán)等速度傳感器，常常采用無(wú)速度傳感器技術(shù)和霍爾傳感器的補(bǔ)償相結(jié)合，保證高性能的交流調(diào)速性能。

基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制RFO以其優(yōu)良的性能運(yùn)用廣泛。在實(shí)際運(yùn)用中，其轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向精度嚴(yán)重依賴(lài)于電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)，尤其是轉(zhuǎn)子電阻Rr在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的變化影響轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr，進(jìn)而影響了系統(tǒng)的整體性能。由交流電機(jī)磁場(chǎng)加速法原理知：在控制過(guò)程中，只要能使電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子或者氣隙磁鏈中有一個(gè)磁鏈的幅值保持不變，那么電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)差ωs成正比，控制轉(zhuǎn)差ωs就能控制轉(zhuǎn)矩Te。矢量控制有定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向兩種，定子磁場(chǎng)定向的磁鏈估計(jì)中僅需定子電阻Rs一項(xiàng)參數(shù)，對(duì)電機(jī)的參數(shù)依賴(lài)小，系統(tǒng)的魯棒性更強(qiáng)。

1 系統(tǒng)控制原理

圖1 系統(tǒng)整體控制原理框圖

圖1系統(tǒng)主要來(lái)自于標(biāo)量型轉(zhuǎn)差頻率的恒u/f(壓頻比)控制和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向RFO的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制[2]。前者基于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，僅通過(guò)控制定子電流is的幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差ωs對(duì)轉(zhuǎn)矩Te的控制，前提是氣隙磁通ψσ不變。在動(dòng)態(tài)調(diào)速過(guò)程中電流的相位會(huì)對(duì)氣隙磁通ψσ和電磁轉(zhuǎn)矩Te均產(chǎn)生影響，不適用于高性能的調(diào)速領(lǐng)域；后者的主要是通過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，得出轉(zhuǎn)差ωs與轉(zhuǎn)矩Te的確切關(guān)系式(8)、(9)，通過(guò)對(duì)定子電流的勵(lì)磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist的解耦，分別控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，可以達(dá)到近似直流電機(jī)雙閉環(huán)控制的效果，但其磁場(chǎng)定向的準(zhǔn)確度嚴(yán)重依賴(lài)于轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)，尤其是轉(zhuǎn)子電阻，而在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不可避免的轉(zhuǎn)子電阻會(huì)發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)控制效果非常不理想。

異步電機(jī)按定子磁鏈定向時(shí)，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向于定子磁鏈ψs方向，其旋轉(zhuǎn)速度為定子磁鏈的速度ωe，定子磁鏈和電壓方程[3]如下：

ψsd=Lsisd+Lmird=ψs

(1)

ψsq=Lsisq+Lmirq=0

(2)

usd=pψsd+Rsisd

(3)

usq=w1ψsd+Rsisq

(4)

urd=Lmpisd+Lrpird-wsLmisq-wsLrirq+Rrird=0

(5)

urd=Lmpisq+Lrpirq+wsLmisd+wsLrird+Rrirq=0

(6)

將式(1)、(2)代入式(5)、(6)，消去變量ird和irq，整理得：

(7)

(8)

(9)

(10)

2 定子磁鏈觀(guān)測(cè)

定子磁鏈的準(zhǔn)確觀(guān)測(cè)嚴(yán)重影響定子磁場(chǎng)定向SFO的精度，保持定子磁鏈幅值|ψs|的恒定是調(diào)速算法的前提條件。傳統(tǒng)的磁鏈觀(guān)測(cè)采用U-I模型，其中的純積分環(huán)節(jié)存在直流偏移和初始值問(wèn)題，觀(guān)測(cè)精度有限；采用一階低通濾波器代替積分器，解決上述問(wèn)題的同時(shí)引起了輸出信號(hào)的幅值和相位誤差偏移，具有飽和限幅的雙積分器方法可以有效的解決純積分器和一階低通濾波器的這些問(wèn)題[5]，可將其應(yīng)用于異步電機(jī)的磁鏈的觀(guān)測(cè)中來(lái)。

圖2 閾值固定的雙積分器原理框圖

3 轉(zhuǎn)速估計(jì)

該系統(tǒng)采用模型參考自適應(yīng)算法MRAS對(duì)轉(zhuǎn)速n進(jìn)行估算[9]。傳統(tǒng)的采用電機(jī)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式，該方法缺少誤差調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的開(kāi)環(huán)估計(jì)，轉(zhuǎn)速估計(jì)的噪聲毛刺較多。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平滑估計(jì)，將電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈ψr分別按照電壓和電流模型進(jìn)行估計(jì)，電流模型中含有轉(zhuǎn)速參數(shù)作為可調(diào)模型，根據(jù)兩種磁鏈估計(jì)方法的誤差經(jīng)PI自適應(yīng)的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速估計(jì)值，可以達(dá)到滿(mǎn)意的調(diào)速效果。

(11)

(12)

圖3 MRAS速度辨識(shí)算法原理框圖

4 仿真結(jié)果

表1 實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)

圖4 低速空載特性測(cè)試實(shí)驗(yàn) 圖5 低速額定負(fù)載特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

[1] 張浩，戴先中.基于定子磁場(chǎng)定向的感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制研究[J]. 電氣傳動(dòng), 2010, 40(3): 20-22.

[2] 徐靜.異步電機(jī)按定子磁鏈定向的連續(xù)型矢量控制策略的研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：上海大學(xué)，2006.

[3] Myoung-Ho S., Dong-Seok H., Soon-Bong C. and Song-Yul C. An Improved Stator Flux Estimation for Speed Sensorless Stator Flux Orientation Control of Induction Motors. IEEE Trans. on Power Electronics, 2000, 15(2): 312-318.

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[6] Xingyi Xu, Donald W. Novotny. Implementation of Direct Stator Flux Orientation Control on a versatile DSP Based System. IEEE Trans. On Industry Application, 1991, 27(4): 694-700.

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[8] 劉軍鋒.定子磁場(chǎng)定向無(wú)速度傳感器系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2005.

[9] 王成元，夏加寬，孫宜標(biāo).電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

(編輯 李秀敏)

Research on Induction Motor Stator Flux Oriented Speed Sensorless Vector Control

SU Liang-liang1, WEI Ling-ling2

(1. School of Control Science and Engineering ，Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China; 2. Department of Information Engineering, Zhengzhou Chenggong University of Finance and Economics, Zhengzhou 451200,China)

This paper presents a speed sensorless vector control algorithm based on the stator flux orientationSFO, which aims at eliminating the excessive dependence of the rotor field orientedRFOvector control system’s rotor parameters about AC induction motors. The algorithm uses the slip frequencyωsto directly control the torque component of the stator currentisqthroughPIregulator, observes the stator fluxψsby a kind of saturation limiter improved integrator and evaluates the rotor speed by means of model reference adaptiveMRASto achieve double-loop control of the motor. This paper carries out experiments under the conditions of low-speed, no load and load on large, medium and small capacity motor. Results show that the proposed control algorithm is suitable for a variety of capacity AC motor and the estimated rotor speed is consistent with the measured value, the system has good static and dynamic performance.

stator flux orientation; PI regulator; model reference; speed sensorless

1001-2265(2014)05-0100-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.025

2013-12-12;

2014-02-27

蘇亮亮(1988—)，男，河南洛陽(yáng)人，大連理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制技術(shù)，嵌入式控制系統(tǒng)等，(E-mail)suliang310@126.com。

TH39;TG65

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