左 瑞

（宿豫中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

采用帶速度閉環(huán)控制的矢量控制技術(shù)，可使異步電機(jī)獲得較高的調(diào)速性能。但在一些高溫、低溫、易燃、易爆的環(huán)境，速度傳感器的適應(yīng)能力較差，直接影響調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，另外安裝速度傳感器會增加系統(tǒng)的成本。因此研究無速度傳感器的矢量控制技術(shù)，對提高交流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性、對環(huán)境的適應(yīng)性，進(jìn)一步擴(kuò)大交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍具有極其重要的意義。

1 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)

帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)如圖1所示。主電路采用電流滯環(huán)PWM 逆變器；控制電路中，轉(zhuǎn)速環(huán)后增加轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 的輸出作為轉(zhuǎn)矩控制器ATR 的給定,轉(zhuǎn)矩反饋信號經(jīng)矢量控制方程求得；電路中的磁鏈控制器ApsiR 用于對電動機(jī)磁鏈的控制，并設(shè)置了電流變換和磁鏈觀測環(huán)節(jié)；ATR 和ApsiR 的輸出分別是定子電流轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量的給定值，兩者經(jīng)過2r/3s 變換得到三相定子電流的給定值，并通過電流滯環(huán)PWM 控制器控制電動機(jī)定子的三相電流，最終實(shí)現(xiàn)矢量控制。若將圖1 的速度檢測環(huán)節(jié)去掉，根據(jù)相關(guān)模型對轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確估算，并把估算值反饋給速度控制器，就能獲得無速度傳感器的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)。

圖1 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)Fig.1 The inner ring with torque，speed、flux closed-loop vector control system of asynchronous motor

2 基于MRAS 的轉(zhuǎn)速自適應(yīng)辨識

如何對轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)是無速度傳感器矢量控制技術(shù)的核心問題，因?yàn)檗D(zhuǎn)速辨識的精確程度直接關(guān)系到系統(tǒng)性能的好壞。本文采用基于模型參考自適應(yīng)法（MRAS）的轉(zhuǎn)子磁鏈電壓、電流模型完成轉(zhuǎn)子速度的在線辨識。其基本思想是：選定不包含待估計(jì)轉(zhuǎn)速參數(shù)的轉(zhuǎn)子磁鏈電壓方程作為參考模型；選定包含待估計(jì)轉(zhuǎn)速參數(shù)的轉(zhuǎn)子磁鏈電流方程作為可調(diào)模型；兩模型輸出相同的物理量“磁鏈”；利用兩模型輸出量的偏差構(gòu)成合適的自適應(yīng)律去調(diào)節(jié)可調(diào)模型的參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)可調(diào)模型的輸出（轉(zhuǎn)子磁鏈的推算值）跟蹤參考模型的輸出（轉(zhuǎn)子磁鏈的期望值），最終使轉(zhuǎn)速估計(jì)值逼近轉(zhuǎn)速實(shí)際值。式（1）和式（2）給出了α、β 坐標(biāo)系下，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型和轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型：

式中：usα、usβ、isα、isβ分別為兩相靜止坐標(biāo)系下定子繞組電壓和電流；Rs—定子繞組電阻；Ls、Lr、Lm分別定子電感、轉(zhuǎn)子電感、定轉(zhuǎn)子互感；Tr—轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)，Tr=Lr/Rr；σ—漏磁系數(shù)，σ=1-Lm2/（LsLm）。

根據(jù)Popov 超穩(wěn)定性理論，選比例積分自適應(yīng)律，得轉(zhuǎn)子角速度的辨識如式（3）：

式中：Ψ*rα、Ψ*rβ—由轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型計(jì)算的轉(zhuǎn)子磁鏈；Ψ^rα、Ψ^rβ為由電流磁鏈模型計(jì)算的轉(zhuǎn)子磁鏈。圖2 給出了基于MRAS 的轉(zhuǎn)速自適應(yīng)辨識系統(tǒng)模型。

圖2 基于MRAS 的轉(zhuǎn)速自適應(yīng)辨識系統(tǒng)模型Fig.2 The model of speed adaptive recognition system based on MRAS

3 基于MRAS 的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)仿真

以圖1、2 為基礎(chǔ)，在Matlab 中搭建了基于MRAS的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)仿真模型如圖3 所示。

圖3 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)仿真模型Fig.3 The simulation model of speed sensorless vector control system

該模型主要包含異步電動機(jī)模塊、電流滯環(huán)PWM逆變器模塊、轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模塊、轉(zhuǎn)速估計(jì)模塊、矢量控制及PI 調(diào)節(jié)器模塊等。

異步電機(jī)模型主要參數(shù)參考文獻(xiàn)[2]：電壓380V、50Hz、極對數(shù)2，Rs=0.435Ω，L1s=0.002mH，Rr=0.816Ω，L1r=0.002mH，Lm=0.069mH，J=0.19kg·m2，逆變器直流電壓510V，定子繞組自感，Ls=Lm+L1s=0.069+0.002=0.071mH，轉(zhuǎn)子繞組自感Lr=Lm+L1r=0.069+0.002=0.071mH，漏磁系數(shù)σ=1-Lm2/LsLr=0.056，轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr=Lr/Rr=0.071/0.816=0.087。

電機(jī)空載啟動，用Step1、Step2、Step3 三個階躍信號模擬負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變動；0.8 秒時Step1 單獨(dú)作用，階躍值為55；1 秒時疊加Step2，Step2 的階躍值為-30；1.2秒時又疊加上Step3，Step3 的階躍值為30。異步電機(jī)給定轉(zhuǎn)速1400r/min，設(shè)置好各調(diào)節(jié)器參數(shù)和系統(tǒng)的其他相關(guān)參數(shù)，運(yùn)行仿真得矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波形如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速波形Fig.4 Speed waveform

圖4 中帶有小幅波動的曲線是估計(jì)轉(zhuǎn)速，較為平滑的曲線是由測量單元獲得的實(shí)際轉(zhuǎn)速，不難看出兩者基本重合，這說明在電機(jī)啟動或負(fù)載突變時，估計(jì)轉(zhuǎn)速均能較好的跟隨實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化。所估計(jì)轉(zhuǎn)速的動態(tài)降落很小，系統(tǒng)恢復(fù)時間較短，平穩(wěn)性較好；這充分驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的無速度傳感器矢量控制策略的正確性和參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)束語

以三相異步電機(jī)為被控對象，設(shè)計(jì)了帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)；介紹了基于MRAS 的轉(zhuǎn)速辨識方案，在Matlab 中搭建了無速度傳感器的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模型，并對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析；仿真結(jié)果表明所采用的控制策略控制效果良好，能在較大負(fù)載擾動下實(shí)現(xiàn)無傳感器方式的異步電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]張貞艷，左瑞.礦井提升機(jī)的無速度傳感器矢量控制[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2014，11.

[2]洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB 仿真[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006.