王賢明，何 露，胡 麗，鄭 成，曹 一

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二二研究所，湖北 武漢 430205)

基于新型磁鏈觀測器的無速度傳感器感應(yīng)電機(jī)控制技術(shù)研究

王賢明，何 露，胡 麗，鄭 成，曹 一

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二二研究所，湖北 武漢 430205)

提出一種由補(bǔ)償式的二階帶通濾波器電壓磁鏈觀測模型，基于該補(bǔ)償電壓模型，構(gòu)成新的磁鏈估計(jì)器。為了解決磁鏈觀測器多平衡狀態(tài)的問題，提出以提高磁鏈估計(jì)精度的方法、對不同類型感應(yīng)電動機(jī)磁通觀測器的控制技術(shù)進(jìn)行研究。對傳統(tǒng)的模型參考自適應(yīng)速度估計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)，基于補(bǔ)償式二階帶通濾波器電壓磁鏈觀測模式作為參考模型，速度估計(jì)的精度提高。同時(shí)對基于新型磁鏈觀測器的無速度傳感器感應(yīng)電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行研究，然后通過仿真驗(yàn)證。

感應(yīng)電機(jī)；磁鏈觀測；控制技術(shù)；無速度估計(jì)

0 引 言

近年來，感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器矢量控制算法取得了快速發(fā)展。許多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，并提供了很多實(shí)用的方法，特別是模型參考自適應(yīng)全階觀測方法已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，其中包括異步電機(jī)模型，觀測器反饋增益和轉(zhuǎn)子速度自適應(yīng)律[1–4]。傳統(tǒng)速度自適應(yīng)法是基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論和波波夫超穩(wěn)定性理論[5–7]。為了加快收斂速度估計(jì)誤差，極點(diǎn)配置是為了觀察反饋增益矩陣設(shè)計(jì)的通常使用方法。然而，許多研究和實(shí)際工作都表明，即使在參數(shù)誤差和測量噪聲很小的情況下，基于全階自適應(yīng)觀測器的感應(yīng)電機(jī)無速度控制系統(tǒng)會產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。

本文討論基于改進(jìn)電壓模型磁通估算方法，從而實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)無速度傳感器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過理論分析及仿真，驗(yàn)證了本文提出新方法的正確性。

1 感應(yīng)電機(jī)速度觀測模型

高精度、高分辨率的速度和位置傳感器（如光電編碼器等）價(jià)格昂貴，不僅提高了控制系統(tǒng)的成本，還限制了裝置在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。運(yùn)用無速度傳感器控制技術(shù)，可以在線估計(jì)感應(yīng)電機(jī)的速度和位置，從而省去了傳感器。

1.1 靜止ABC軸系速度觀測模型

在靜止ABC軸系中，定、轉(zhuǎn)子磁鏈和電壓矢量方程為：

轉(zhuǎn)子電壓矢量方程中含有轉(zhuǎn)子速度ωr，因此可用來獲取轉(zhuǎn)子速度信息，但是方程中有轉(zhuǎn)子電流矢量ir，它是不可測量的，為此要將ir從方程中消去。

由式（2）可得：

式中定子電流is可取實(shí)測值，除此之外，還需要知道轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶喀譺及其微分dψr/dt。

由式（1）和式（2），可求得：

1.2 定子磁鏈旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系速度觀測模型

定子磁鏈旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系速度觀測模型方程表達(dá)為：

2 感應(yīng)電機(jī)磁鏈觀測器模型

2.1 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器電流模型

下面給出轉(zhuǎn)子磁鏈觀測電流模型方程式：

將式（17）轉(zhuǎn)換成原理框圖，如圖1所示。

2.2 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器電壓模型

電壓模型表達(dá)式如下：

因純積分存在零漂，可采用一階低通濾波器代替純積分環(huán)節(jié)，從而清除零漂現(xiàn)象。

2.3 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器改進(jìn)電壓模型

改進(jìn)型電壓模型先通過S/（S+λHωsTs）濾波器、再通過1/（S+λLωsTs）濾波器，最后對幅值及相位進(jìn)行補(bǔ)償，原理框圖如圖 2 所示，系數(shù)λH=0.1、λL=0.2。仿真波形如圖3（a）、圖3（b）所示，圖3（c）是幅值及相位補(bǔ)償前后定子磁鏈仿真對比波形、電壓模型與電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈仿真對比波形?；谶@種改進(jìn)型方法需要對幅值及相位進(jìn)行補(bǔ)償，觀測的磁鏈波形比較準(zhǔn)確。

3 無速度傳感器感應(yīng)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)

上面2種對速度觀測是采用公式推導(dǎo)，即開環(huán)方式，且電角頻率表達(dá)式中存在微分項(xiàng)，在離散化求解過程中會產(chǎn)生較大毛刺，計(jì)算結(jié)果會不太準(zhǔn)確。下面采用模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（Model Reference Adaptive System，MRAS），即一種閉環(huán)方式，這種模型主要包含參考模型、可調(diào)模型及自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3部分。參考模型通常采用電壓模型觀測出電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈，可調(diào)模型通常采用電流模型觀測出電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)采用電壓、電流模型計(jì)算的磁鏈值交叉相乘，將這個(gè)交叉相乘的結(jié)果經(jīng)過PI控制器，PI控制器的輸出作為電角頻率值，并將這個(gè)計(jì)算的電角頻率值送入電流模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，使電壓模型與電流模型觀測的轉(zhuǎn)子磁鏈完全吻合，這樣實(shí)現(xiàn)了電角頻率的實(shí)時(shí)觀測。圖4為模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)原理框圖。

當(dāng)電機(jī)參數(shù)比較準(zhǔn)確時(shí)，估計(jì)出的ψr和ωr能始終映射出電動機(jī)的真實(shí)狀態(tài)。但當(dāng)電阻Rs不準(zhǔn)確，在低速時(shí)對觀測的結(jié)果產(chǎn)生影響；純積分器引起的誤差積累或直流溫漂等問題也會對觀測的結(jié)果產(chǎn)生影響。除定子電阻Rs外，轉(zhuǎn)子電阻Rr以及電感Lm和Lr同樣存在不準(zhǔn)確性，在運(yùn)行中也會發(fā)生變化，這些都會影響MRAS在低速時(shí)的應(yīng)用和估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5為采用間接磁場定向閉環(huán)控制，角速度ωr還是根據(jù)速度編碼器檢測的值代入計(jì)算，基于參考自適應(yīng)模型進(jìn)行角速度ωr_cal觀測，但不參于閉環(huán)控制。圖6為采用間接磁場定向閉環(huán)控制，基于參考自適應(yīng)模型進(jìn)行角頻率ωr_cal觀測并參于閉環(huán)控制。采用速度PI外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)控制，速度參考值為300 r/min，從仿真波形可以看出，觀測的電角頻率值與實(shí)際值接近。

4 結(jié) 語

與原有帶速度傳感器交流傳動控制系統(tǒng)相比，無速度傳感器控制系統(tǒng)具有更高的可靠性和更低的成本，明顯減小電機(jī)的安裝體積，并可以工作在更惡劣的環(huán)境下。本文采用新型磁鏈觀測模型進(jìn)行感應(yīng)電機(jī)閉環(huán)控制，速度觀測及閉環(huán)控制效果良好。

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Research on the different kinds of speed sensorless induction machine flux observer control technology

WANG Xian-ming, HE Lu, HU Li, ZHENG Cheng, CAO Yi
(The 722 Research Institute of CSIC, Wuhan 430205, China)

A compensated voltage model is proposed in this paper, which consists of a second order band pass filter and its compensator. Based on this compensated voltage model, a new flux estimator is constructed. To solve this multiple equilibrium states problem, a method to improve the flux estimator is proposed and the different kinds of induction motor flux observer control technology are studied. The traditional model reference adaptive speed estimation method is modified and using the band pass filter compensated voltage model proposed in this paper as the reference model. The precision of speed estimation is improved. On the basis of this modified model reference adaptive speed estimation method, a speed sensorless induction machine vector control strategy is proposed and then validated through simulation.

induction motor；flux estimation；control technology；speed-sensorless

TM3

A

1672 – 7619(2017)06 – 0142 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.029

2017 – 01 – 05；

2017 – 03 – 30

王賢明(1982 – )，男，工程師，主要從事控制技術(shù)方面的研究工作。