黃欽

摘 要：在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確估計(jì)是改善系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，分析了3種不同的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)方法，同時(shí)給出了它們的磁鏈觀測(cè)器模型并在DSP2812微處理器控制系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同磁鏈觀測(cè)模型有不同特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)電機(jī)；改進(jìn)電壓模型；全階磁鏈觀測(cè)器；矢量控制

中圖分類號(hào)： TM346 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）28-133-2

0 引言

從理論上講，直接檢測(cè)是比較準(zhǔn)確的，但在實(shí)際應(yīng)用上這些方法都會(huì)遇到不少工藝問題，而且受齒槽影響，使檢測(cè)到的信號(hào)中含有較大的脈動(dòng)分量，特別是在低速區(qū)時(shí)，它的成分就越大。因此，現(xiàn)今多采用間接計(jì)算的方法。即利用容易測(cè)得的物理量電壓、電流或者轉(zhuǎn)速等信號(hào)，借助轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值與相位[1]。

本文分析了電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈模型、參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)子磁鏈模型與全階磁鏈觀測(cè)器模型的不同特點(diǎn)，在基于定點(diǎn)DSP 微處理器TMS320F2812的感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了不同模型的不同特點(diǎn)。

1 感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈不同數(shù)學(xué)模型

建立合適的數(shù)學(xué)模型和狀態(tài)方程是研究矢量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。對(duì)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型的選取主要是取決于具體的應(yīng)用環(huán)境，根據(jù)需要權(quán)衡其利弊來選擇適當(dāng)?shù)姆桨浮?/p>

1.1 改進(jìn)電壓模型的轉(zhuǎn)子磁鏈模型

采用電流模型計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈時(shí)需要電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)，但是電機(jī)參數(shù)的變化會(huì)影響它的精確度。而電壓模型受電機(jī)參數(shù)的影響較小，但是定子繞組反電動(dòng)勢(shì)積分項(xiàng)累積誤差影響計(jì)算結(jié)果，容易產(chǎn)生直流偏移和積分飽和等問題[2]；并且在低速區(qū)時(shí)，定子電阻壓降變化大，使電壓模型計(jì)算出的轉(zhuǎn)子磁鏈不夠準(zhǔn)確。因此傳統(tǒng)的電壓模型轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡將不再是以圓心為中心，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率很低時(shí)這種現(xiàn)象尤其明顯[3]。為此結(jié)合電流模型和電壓模型優(yōu)點(diǎn)，建立改進(jìn)電壓模型的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器，在低速區(qū)時(shí)，使用電流模型對(duì)電壓模型進(jìn)行修正，引入經(jīng)PI作用得到的補(bǔ)償電壓來消除純積分環(huán)節(jié)和定子電阻參數(shù)誤差帶來的影響。PI調(diào)節(jié)器如式（1）所示。

定子磁鏈學(xué)模型如式（3）所示

1.2 基于模型參考自適應(yīng)法（MRAS）的轉(zhuǎn)子磁鏈模型

模型參考自適應(yīng)（Model Reference Adapt System， MRAS）是由不含未知參數(shù)的方程作為參考模型和含有待估計(jì)參數(shù)的方程作為可調(diào)模型之差，構(gòu)成自適應(yīng)律，使得參考模型和可調(diào)模型輸出誤差接近零[4]。根據(jù)參考模型和可調(diào)模型的不同選擇，有多種MRAS方法，包括反電動(dòng)勢(shì)模型MRAS法、無功功率模型MRAS法以及轉(zhuǎn)子磁鏈模型MRAS法[5]。由于反電動(dòng)勢(shì)模型MRAS法在低速時(shí)反電動(dòng)勢(shì)很小，并且在轉(zhuǎn)速過零時(shí)變化緩慢，對(duì)定子電阻的變化敏感，導(dǎo)致估計(jì)不準(zhǔn)確甚至不收斂。為了消除定子電阻等電機(jī)參數(shù)變化的影響，人們提出了無功功率模型MRAS法，雖然它的參考模型和可調(diào)模型都不含有定子電阻，但是它是以發(fā)電模型下的穩(wěn)定性為代價(jià)，所以應(yīng)用最多的是以電壓模型作為參考模型，將含有轉(zhuǎn)速信息的電流模型作為可調(diào)模型的經(jīng)典MRAS法[6]，即轉(zhuǎn)子磁鏈模型MRAS法。

式中，ωs為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差速度，isM、isT為M-T軸定子電流，Tr為轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)，Tr=Lr/Rr，Rs、Rr為定轉(zhuǎn)子電阻，usα、usβ為定子電壓在α-β軸上的分量，ψrα、ψrβ為轉(zhuǎn)子磁鏈在α-β軸上的分量，ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈，p為積分算子。

1.3 全階磁鏈觀測(cè)模型

雖然MRAS模型的實(shí)用性較強(qiáng)，但是還是存在一些積分初值和零點(diǎn)漂移的問題，這些問題在電機(jī)運(yùn)行于低速環(huán)境時(shí)變得異常嚴(yán)重，所以采用低通濾波器來替代積分器，消除積分器的直流偏移問題，但同時(shí)又引入了轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相位的計(jì)算誤差，為此一些學(xué)者又提出了全階磁鏈閉環(huán)觀測(cè)器[7]。全階磁鏈觀測(cè)器提高了磁鏈的觀測(cè)精度，不存在弱磁的局限，能夠很好地實(shí)現(xiàn)帶速的平穩(wěn)啟動(dòng)，且具有對(duì)參數(shù)變化的自適應(yīng)能力和對(duì)參數(shù)誤差的魯棒性[8]。在實(shí)際應(yīng)用中，存在兩種全階磁鏈觀測(cè)器[9]：一種以定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈為狀態(tài)變量的觀測(cè)器，此種觀測(cè)器在直接轉(zhuǎn)矩控制中應(yīng)用比較多。在矢量控制中以定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈為狀態(tài)變量的全階磁鏈觀測(cè)器。

在兩相靜止坐標(biāo)α-β下中，以定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈為狀態(tài)變量建立模型方程。

觀測(cè)定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈的全階磁鏈狀態(tài)觀測(cè)器，描述

式中，“*”表示估計(jì)值，ωr*為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速觀測(cè)值。G為誤差反饋增益矩陣，觀測(cè)器最后一項(xiàng)是包含電機(jī)輸出電流和觀測(cè)器輸出電流的糾正項(xiàng)，增益矩陣G起到加權(quán)矩陣的作用，用于校正觀測(cè)所得的轉(zhuǎn)子磁鏈狀態(tài)變量，G具有普遍性，適合于任何型號(hào)的異步電機(jī)。其簡化矩陣為

G的選取非常關(guān)鍵，為了加快觀測(cè)器的收斂速度，其值應(yīng)取大，但不能太大，不然會(huì)使系統(tǒng)對(duì)于干擾信號(hào)過于敏感，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器由定點(diǎn)32位DSP TMS320F2812組成。驅(qū)動(dòng)部分采用三菱IPM PM25RLA120作為功率輸出模塊，外帶溫度傳感器，能夠?qū)η穳?、過流、過壓、過溫保護(hù)信號(hào)做出快速響應(yīng)，兩個(gè)電流傳感器采用霍爾傳感器HY15檢測(cè)A、B相電流，齒盤型1024脈沖/轉(zhuǎn)的光電脈沖編碼器測(cè)量實(shí)際速度。負(fù)載采用1.9kW的發(fā)電機(jī)帶大功率單項(xiàng)可調(diào)電阻作為模擬負(fù)載方式。

實(shí)驗(yàn)三相感應(yīng)電機(jī)參數(shù)：pN=2.2kW，uN=380V，IN=5A，nN=1420r/min，p=2，Rs=2.9Ω，Ls=0.245H，Lr=0.253H，Rr=2.1Ω，Lm=0.238H。電機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)量轉(zhuǎn)子磁鏈大小約為0.75 Wb，實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線橫軸單位是14毫秒/格，縱軸為0.225Wb/格。

采用改進(jìn)電壓模型的轉(zhuǎn)子磁鏈模型觀測(cè)出轉(zhuǎn)子磁鏈大概為0.7Wb，如圖1所示。

采用模型參考自適應(yīng)法（MRAS）的轉(zhuǎn)子磁鏈模型觀測(cè)出磁鏈大概為0.855Wb，比基準(zhǔn)值大13%，如圖2所示。

采用全階磁鏈觀測(cè)器觀測(cè)出轉(zhuǎn)子磁鏈為0.78Wb，如圖3所示。圖1的準(zhǔn)確性比較高，全階磁鏈觀測(cè)方法圖3精度更高。

3 結(jié)論

本文對(duì)改進(jìn)電壓模型、MRAS模型、全階磁鏈觀測(cè)模型進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)。雖然磁鏈觀測(cè)方法有很多種，但是仍然有許多問題需要解決，如參數(shù)估計(jì)的精度、對(duì)參數(shù)變動(dòng)的魯棒性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性等，在具體的應(yīng)用中權(quán)衡其利弊，選擇合適的方案。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳伯時(shí).交流電機(jī)變頻調(diào)速講座第七講按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)[J].電力電子，2008（1）：42-47.

[2] 王高林，陳偉，楊榮峰，等.無速度傳感器感應(yīng)電機(jī)改進(jìn)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13（5）：638-05.

[3] 周二磊，符曉，王珂，等.基于混合磁鏈模型的電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制研究[J].變頻器世界，2011（1）：56-04.

[4] 張愛民.無速度傳感器感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（6）：208-03.

[5] 陳世軍，高軍禮.基于TMS320F2812的無速度傳感器變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)床與液壓，2012，40（13）：59-03.

[6] 尹忠剛，劉靜，鐘彥儒，等.基于雙參數(shù)模型參考自適應(yīng)的感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器矢量控制低速性能[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（7）：124-07.

[7] 張繼勇，袁如明，蔣步軍.基于全階閉環(huán)磁鏈觀測(cè)器的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電氣自動(dòng)化，2007，29（4）：14-04.

[8] 李立明，劉忠舉.基于全階磁鏈觀測(cè)器的異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)[J].船電技術(shù)，2011，31（3）：42-03.

[9] 李祥飛，鄒莉華.基于全階磁鏈觀測(cè)器的間接轉(zhuǎn)矩控制研究[J].電力電子技術(shù)，2007，41（9）：33-35.