何鑫鑫，俞孟蕻

(江蘇科技大學 電信學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

動力系統(tǒng)

船舶推進感應電機無速度傳感器技術研究

何鑫鑫，俞孟蕻

(江蘇科技大學 電信學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

將全階狀態(tài)觀測器技術應用于船舶推進感應電機無速度傳感器控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)對推進電機轉速的實時辨識。以定子電流和轉子磁鏈為狀態(tài)變量，構建全階狀態(tài)觀測器。再以全階狀態(tài)觀測器為可調模型，驅動電機為參考模型，使用模型參考自適應的方法對電機轉速進行辨識。針對轉速估算系統(tǒng)低速區(qū)域不穩(wěn)定問題，設計出能保證系統(tǒng)在低速時保持穩(wěn)定的反饋增益矩陣設計準則。在 Matlab/Simulink 仿真環(huán)境下進行仿真。

全階狀態(tài)觀測器；模型參考自適應；船舶推進電機；反饋增益矩陣

0 引 言

隨著科學技術的發(fā)展，全電力推進船舶越來越受到各個國家的重視。傳統(tǒng)的推進異步電機需要額外加裝速度傳感器，以獲取電機轉速。但是速度傳感器的安裝不僅增加了成本，而且還降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，無速度傳感器技術自提出以來便得到了廣泛的研究和應用。到目前為止，國內外學者提出了很多方法，大致上分為 2 種：一種是基于電機理想模型的方法；另外一種是基于電機非理想模型的方法[1]。由于后一種方法電機損耗較大，對電機結構有特殊要求，且通用性不強，所以在實際應用中前一種方法占主流地位。

傳統(tǒng)的 MRAS 方法通常以轉子磁鏈的電壓模型作為參考模型，轉子磁鏈的電流模型為可調模型。但是電壓模型中存在的積分環(huán)節(jié)會使系統(tǒng)容易受到采樣電壓、電流直流偏置的影響，轉速辨識不準確。如果選取電機本身為參考模型，全階狀態(tài)觀測器為可調模型。這樣不僅可以保證參考模型的準確性，還可以回避純積分帶來的問題[2–8]。

基于全階狀態(tài)觀測器的模型參考自適應方法中，轉速估算系統(tǒng)的穩(wěn)定性能及轉速估算的性能很大程度上取決于全階狀態(tài)觀測器反饋矩陣的設計[4]。論文針對轉速估算系統(tǒng)的低速區(qū)域不穩(wěn)定問題，采用非線性Popov 超穩(wěn)定性定理推導出轉速估算系統(tǒng)的穩(wěn)定條件，從而得到一種可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的反饋增益矩陣設計準則。

1 推進電機全階觀測器的設計

1.1 電機空間狀態(tài)方程建立

以推進異步電機定子電流 is和轉子磁通 ψr為狀態(tài)變量，定子電流 is為輸出變量。則異步電機在兩相靜止 αβ 坐標系下的狀態(tài)空間方程為[3]：

狀態(tài)變量和控制變量分別表示為：

狀態(tài)變量

輸入變量

式中：Rs為定子電阻；Rr為轉子電阻；Ls為定子電感；Lr為轉子電感；Lm為定子轉子之間的互感；ω 為轉子角速度；為 漏感；為轉子時間常數(shù)。

1.2 電機空間狀態(tài)方程的能控能觀性判定

可以認為異步推進電機空間狀態(tài)方程所描述的系統(tǒng)是線性時變系統(tǒng)。由現(xiàn)代控制理論可知，狀態(tài)空間方程（1）存在狀態(tài)觀測器且極點可以任意配置的充要條件是該系統(tǒng)完全能觀。

根據(jù)可控性判據(jù)，令

由此可以判斷出系統(tǒng)完全能控。

根據(jù)可觀性判據(jù)，令

由此可以判斷出系統(tǒng)完全能觀。

1.3 全階狀態(tài)觀測器的建立以及反饋矩陣的設計

由以上分析可知，感應電機空間狀態(tài)方程具有能觀性，因此可以利用被控對象的輸入量和輸出量，通過觀測器來重構被控對象的狀態(tài)。

現(xiàn)構造一全階狀態(tài)觀測器如下：

式中：G 為全階觀測器反饋增益矩陣； A︿ 為將電機空間狀態(tài)方程 A 中的參數(shù) ω 替換為轉子速度估算值 ︿ω 所得到的矩陣。反饋[增益矩陣 G 一般形式]為：

增益矩陣 G 中參數(shù)的確定應該滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。通常采用極點配置的方式來確定。但是極點配置的方法并不唯一。

將式 (8) 減去式 (1)，可得電機本體模型和狀態(tài)觀測器模型之間的[誤差]方程：

定義誤差矩陣為：

定義狀態(tài)誤差為：

e=[eieψ]T。

則狀態(tài)誤差方程 (10) 可以等效為圖 1 所示的非線性反饋系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個線性定常前向通道和一個線性時變反饋通道組成。

圖中的 Φ1（e）表示轉子轉速的自適應辨識函數(shù)。當非線性反饋部分選擇 PI 自適應律時可以證明其滿足波波夫不等式[5]。由 POPOV 超穩(wěn)定性定理：一個由線性前向通道和一個非線性時變的反饋通道組成的系統(tǒng)，如果其非線性反饋部分滿足波波夫不等式，那么此系統(tǒng)處于漸進穩(wěn)定的充分必要條件是線性前向部分的傳遞函數(shù)嚴格正實，因此該轉速估算系統(tǒng)的穩(wěn)定性只由線性前向通道的傳遞函數(shù)的嚴格正實性決定。

首先寫出前向通道傳遞函數(shù)矩陣 G（s）的表達式，將式 (10) 在 S 域展開為：

將以上 2 式做相應處理，消去 eψ和 A12可得：

由于反饋矩陣設計成：

因此，上式中：

前向通道傳遞函數(shù)矩陣 G（s）想要嚴格正實，則必須滿足以下條件：

其中G*（jω）為 G（jω）的共軛轉置矩陣。將式 (13)代入上式可得：

其中：

當且僅當 B（s）＞ 0時，式 (14) 才成立。

將 s =jωe代入式 （15），ωe為同步頻率。式 （15）展開并化簡可得：

由上式可得，保證前向通道傳遞函數(shù)矩陣嚴格正實的條件為：

上式化簡為：

其中 ωc稱為臨界頻率，定義如下：

式 （18） 既可以保證前向通道傳遞函數(shù)為嚴格正實，也可以保證轉速估算系統(tǒng)滿足波波夫超穩(wěn)性定理。

如果同步頻率 ωe低于臨界頻率 ωc，則轉速估算系統(tǒng)會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，即估算轉速或無法收斂到實際轉速。臨界頻率然越小，則不穩(wěn)定區(qū)域也越小，如果將臨界頻率然設計為 0，則可將不穩(wěn)定區(qū)域收縮到最小。由于臨界頻率 ωc與全階磁鏈觀測器的反饋增益矩陣相關，因此可以通過對反饋矩陣的設置，達到系統(tǒng)穩(wěn)定的效果。

將式 （19） 代入式 （18），化簡得

式 （20） 即為低速區(qū)域反饋增益的設計準則。同時考慮狀態(tài)觀測器的穩(wěn)定性要求，反饋矩陣設計如下[7]：

2 基于李雅普諾夫第二穩(wěn)定性定理的轉速自適應律推導

由電機方程 （1） 減去全階狀態(tài)觀測器方程 （8），可以得到狀態(tài)誤差方程：

定義誤差矩陣：

定義狀態(tài)誤差：

定義李雅普諾夫函數(shù)為[6]：其中 λ 為正常數(shù)。

根據(jù)李雅普諾夫第二穩(wěn)定性定理，如果李雅普諾夫函數(shù) V 正定，同時李雅普諾夫函數(shù)的一階導數(shù) dV/dt負半定，則系統(tǒng)在原點漸進穩(wěn)定。

函數(shù)正定的定義：標量函數(shù) V（x）在 s 域中對所有非零狀態(tài)有 V（x）＞ 0 且 V（0）= 0，則稱則稱在 s域內正定；

負半定的定義：V（0）= 0，且 V（x）在 s 域內某些非零狀態(tài)處有 V（x）= 0，而在其他狀態(tài)處均有V（x）＜ 0，則稱 V（x）在 s 域內負半定。

磁鏈觀測器的平衡工作點為 e = 0， (ω∧?ω)；

V 函數(shù)正定性判斷：e = 0，ω∧=ω 時，V（0）= 0 e ≠ 0，ω∧≠ω 時， V=ei2+e2Ψ+(ω∧?ω)2/λ＞0 恒成立；

dV/dt 函數(shù)負半定判斷：

根據(jù)李雅普諾夫第二穩(wěn)定性定理，可以設計適合的觀測器反饋增益矩陣 G，使得上式第一項負半定（假設條件），同時后面兩項相互抵消。

為了滿足辨識的快速性要求，采用比例積分自適應律：

3 系統(tǒng)仿真驗證

根據(jù)前文所述，在 Matlab/Simulink 仿真平臺上搭建完整的仿真模型。仿真電機的參數(shù)見表 1。

表 1 5.5 kW 感應電機參數(shù)表Tab. 1 5.5 kW induction motor parameter list

根據(jù)前面介紹的方法設計不同的反饋矩陣，以驗證以上結論的正確性。設定電機轉速為 120 r/min，選擇不同的增益矩陣，仿真結果如下：

增益矩陣設計為：

4 結 語

實驗結果表明，設計的反饋增益矩陣能夠使系統(tǒng)在保證低速穩(wěn)定的前提下，對驅動電機轉速有很好的辨識效果。

[1]馮垛生, 曾月南. 無速度傳感器矢量控制原理與實踐[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社 2006.

[2]李彬郎, 張斌. 全階狀態(tài)觀測器在轉速辨識系統(tǒng)中的應用改進[J]. 電氣傳動, 2015, 45(3): 7–11. LI Bin-lang, ZHANG Bin. Improvement of full-order state observer applied in revolution speed estimation system[J], Electric Drive, 2015 ,45(3):7-11.

[3]李永東. 交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2012.

[4]KUBOTA H, SATO I, TAMURA Y, et al. Regenerating-mode low-speed operation of sensorless induction motor drive with adaptive observer[C]// IEEE Trans. Ind. Applicat, 2002, 38: 1081–1086.

[5]YANG G, CHIN T H. Adaptive-speed identification scheme for a vector-controlled speed sensorless inverter induction motor drive[C]// IEEE Trans. Ind. Appl, 1993, 29(4): 820–825.

[6]KUBOTA H, MATSUSE K, NAKANO T. DSP-based speed adaptive flux observer of induction motor[C]// IEEE Trans. Ind. Appl, 1993, 29(2): 344–348.

[7]SUWANKAWIN S, SANGWONGWANICH S. Design strategy of an adaptive full-order observer for speed-sensorless induction-motor drives-track performance and stabilization[C]// IEEE Trans. Ind. Appl, 1993, 29(4): 820–825.

[8]KUBOTA H, MATSUSE K. New adaptive flux observer of induction motor for wide speed range motor drives[C]// Conf. Rec. IEEE IECON’90 1990: 921–92.

[9]APIRACH R, SAKORN P N. Implemantation of an adaptive full-order observer for speed-sensorless induction motor drives[C]// ICEMS 2015: 25–28.

Speed-sensorless research of the ship drive induction motor

HE Xin-xin, YU Meng-hong
(School of Electronics and Information Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

In order to achieve the real-time speed of Ship drive Induction motor ,speed sensorless technology based on the full order state observers is applied to the induction motor control system . Build the full-order state observer with stator current and rotor flux as state variables, then set the full order state observer as the adjustable model, drive motor as reference model, use the model reference adaptive method to identify the motor speed in time. In view of the instability of the speed estimation system at low speed regional, try to set design criteria for feedback gain matrix that can guarantee the system stability in low speed regional. The simulation is carried out under the Matlab/Simulink simulation environment. Experimental results show that the design of the feedback gain matrix can identify the motor speed very well in the low speed regional.

full-order state observers；MRAS；ship drive motor；feedback gain matrix

TP13

A

1672–7619(2017)03–0069–05

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.014

2016–07–07；

2016–08–22

何鑫鑫(1990–)，男，碩士研究生，研究方向為船舶電力推進技術。