電壓電流混合模型的感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制

1、維普http:/www.cqvip.CQm第31卷第2期 _ 2007 年 4 HVol. 31 No. 2北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)QURmJOF BEIHNGIA(>TONG UNJVERITY文車編號(hào)：1573 川前 1 (2007)02-0099-04電壓電流混合模型的感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制李哲峰，劉志剛，陳丹，李志浩（北京交適大學(xué)電氣工程甞院，北京100044摘要：分別采用電壓摸型和電流模型的感應(yīng)電機(jī)直接磁場(chǎng)定詢控制在低速和離遠(yuǎn)時(shí)估計(jì)的琴子 磁錐精度不高.在這基礎(chǔ)上研究電壓電流混合模型的聞環(huán)轉(zhuǎn)子礙鏈觀測(cè)器，使算在低速時(shí)采用電流 模型，在高速時(shí)采用電壓模型，兩者能平滑過(guò)渡根據(jù)磁鏈觀測(cè)

2、器結(jié)構(gòu)，采用幵環(huán)轉(zhuǎn)速估計(jì)器，并做 相應(yīng)的抗噪聲赴理，使它蛛構(gòu)簡(jiǎn)單，能滿足動(dòng)態(tài)和穗態(tài)要彈朋據(jù)控制原理，采用高性能DSF實(shí)現(xiàn), 試驗(yàn)結(jié)黑驗(yàn)證了在較覽的速度范嗎內(nèi)能達(dá)到令人滿意的穩(wěn)態(tài)性能.關(guān)鍵詞：電壓電流模型；轉(zhuǎn)于璉鏈觀測(cè)籌；無(wú)速度傳感器；直接璉壕定向中圖分類號(hào):TM921文獻(xiàn)標(biāo)志碼：BA Sensorless Vector Control of Induction Motor Basedon Voltage-Current ModelLI Zhe-fen, UU Zhi-gang, CHE 皿 tLI Zhi-hao(School of filectrical Erifiiti詫ri厲、Be誦ng

3、 Jioiong Universsity,100044,China)Abstract：The direct field orientation of induction machines based on Voltage Model and Current Model produce unsatisfying performances at low speed and high spwd sep茴mtely. In this paper, a rotor flux observer based on Voltage*Current Model is introduced, which can

4、work In Current Model al low 厲peed and Voltage Model at high speed, wo models can be switched smoothly Depending un flux observer, upen-loop speed estimator using anti-noise measures can meet with the dynainic stetidy- state demfind. Tht experimenT is realised by DSP pr<gramming. 17ie final wavef

5、orms show that the mix model can satisfy steady performances at a wide speed range.Key words: Voltage-Current model; K>tor flux observer； sensorless； direct field orientation感應(yīng)電機(jī)的矢駐控制一般分為宜接盛場(chǎng)定向控 制和間接磁場(chǎng)定向控制.間接磁場(chǎng)定向控制的單位 矢量信號(hào)是山前憒方式產(chǎn)生的，它本質(zhì)上對(duì)電機(jī) 參數(shù)敏感,特別是轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，為此針對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間 常數(shù)提岀了許多參數(shù)適應(yīng)方法。宜接磁場(chǎng)定向控制的單-位矢雖信號(hào)是由反

6、饋磁 鏈?zhǔn)競(jìng)}導(dǎo)岀的，根據(jù)反饋的方式又有甚于電壓模型 和堆于電流模型的阿種常用方法.在低頻（包括零速度）的情況下基于電壓模型的貢接磁場(chǎng)定向控制難以獲得良好的性能,這是因 為在低頻時(shí)電壓信號(hào)非常小;另外，直流倔移址導(dǎo) 致在積分器輸出端上出現(xiàn)累計(jì)從而使理想的積分 變的很困難；電機(jī)參數(shù)的變化使轉(zhuǎn)子磁鏈的佔(zhàn)計(jì)椿 度降低»基于電流模型的直接雄場(chǎng)定向控制在低 速時(shí)有更好的磁鏈估計(jì)稱度,怛在窈速時(shí)不如屯壓 模型的性能好.由于較髙速度時(shí)基于電壓模型的磁鏈佔(zhàn)計(jì)效果 更好而萃于電流模型的估計(jì)在低速時(shí)精度更髙因維普http:/www.cqvip.CQm維普http:/www.cqvip.CQm收矚日期：20

7、06-訊-恥作者簡(jiǎn)晳刪淚 隸擷歓骷vm料滬®維普http:/www.cqvip.CQm(13)維普http:/www.cqvip.CQm1P0.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)第31卷此可以建立一個(gè)混合模型用于估計(jì)一轉(zhuǎn)子閉環(huán)磁鏈觀測(cè)器正是基于電壓、電流模型 的全階觀測(cè)器.它在高速階段采用電壓模型,在低速 階段讓其平穩(wěn)地過(guò)渡到電流模型.轉(zhuǎn)速估計(jì)采用 相對(duì)簡(jiǎn)單的開環(huán)結(jié)構(gòu)叭并做了抗噪聲處理一兩者 結(jié)合構(gòu)成整個(gè)無(wú)速度傳感器矢量控制.理論和試驗(yàn) 證明該方式具有較寬的調(diào)遠(yuǎn)范圍、較高的穩(wěn)態(tài)箱度 和動(dòng)態(tài)性能.1無(wú)速度傳感器矢量控制式中，*【丿單t s&? 1車,1 nt，上甲2 A廬入卓：Am,入甲分別 為

8、電機(jī)定子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流、定子磁鍛、轉(zhuǎn) 子磁鏈在靜止坐標(biāo)系下°軸和Q軸的分量；尺只,尺卄 分別為定轉(zhuǎn)子電附，定轉(zhuǎn)子電感和勵(lì)磁 電感;a為電機(jī)轉(zhuǎn)連；p是微分算子上面的8個(gè)方 程是感應(yīng)電機(jī)矢量控制的基本公式2轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)無(wú)速度傳感器的矢量挖制原理圖如圖1所示. 整個(gè)系統(tǒng)儀需采集直流母線電壓（Fg）和兩個(gè)線電 流轉(zhuǎn)速控制器采用經(jīng)典的H控制；電流控 制器采用同步電流PI控制，產(chǎn)生的參考電壓矢竜 經(jīng)過(guò)空間矢量調(diào)制后給電壓源型逆變器測(cè)雖電流 （訃九）經(jīng)過(guò)Clarke變換后為兩相靜止坐標(biāo)系電流 C J小測(cè)量電壓f %c）和開關(guān)函數(shù)（耳如）計(jì)算 出兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓（vw,v）.轉(zhuǎn)子閉環(huán)

9、磁鏈估計(jì)采用電壓電流模型,計(jì)算轉(zhuǎn) 子磁鏈（人唧入朮）.根據(jù)所計(jì)算的磁譙、轉(zhuǎn)子磁鏈角 （8）和電流心,通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的開環(huán)速度估計(jì) 器，怙算電機(jī)轉(zhuǎn)速.閉環(huán)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器如圖2所示在靜止坐標(biāo) 系下通過(guò)電壓模型的反電動(dòng)勢(shì)積分得到轉(zhuǎn)子磁鏈. 磁擁觀測(cè)器墾一個(gè)全階、寬速度范圍的觀側(cè)器它包 含兩個(gè)模型:電流橈壁在低速（零速）時(shí)占主要成分; 電壓模型在高速時(shí)占主要成分幺引圖】無(wú)速度傳感器矢量控制Fig” 1 Vector control of inductiofiFig .2 Rotor flux observer轉(zhuǎn)子磁鏈以同步速度旋轉(zhuǎn)，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 下表示為學(xué)譏豈一嚴(yán)（”心珂(10)述中人甸/命如，4為

10、轉(zhuǎn)子磁鏈、定子電流在同步 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下出軸和可軸分量Mr =伊為轉(zhuǎn)子時(shí)間 常數(shù);叫為同步轉(zhuǎn)速.r對(duì)于解耦控制，轉(zhuǎn)子磁璉以同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下machines sensnrless drive感應(yīng)電機(jī)在靜止坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)方程為U 藏=RJ沁 + P2(!)d軸定向*因此有占二；和和二0.把上面兩個(gè)方程帶入成（9）有山-M rr rr<11)(12)0 申中搠申辭g(4)入* tu入甲L J申+ Lmiffl2 fa Ttf + Le' 沁(7)g L申+匸/申=展昭+州申（2）0 = Rrim +閉血+曲申（3）式 11）,式（12）是電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制方程一 上標(biāo)i表示電流模型

11、（同理，上標(biāo)衛(wèi)表示電莊模型）再經(jīng)過(guò)Park'1變換為靜止坐標(biāo)系下和人L 從式（5-8）可推岀定子和轉(zhuǎn)子磁愷關(guān)系A(chǔ).（Ar）(13)維普http:/www.cqvip.CQm第2期李哲烽等；電壓電流觀合模型的感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感髀欠量控制101定子磁儺在電壓模型中由反電動(dòng)勢(shì)積分得到 曙廠J(u沖心亠匕3山(V式中，口呻為補(bǔ)償在低速時(shí)定子阻抗壓降.其中電壓補(bǔ)償由下式給出g =+ K 如一猶R山(式中,Kp和Kt的選擇要使在零速時(shí)僅有電流模型; 在低速時(shí)電流模型計(jì)算的磁錐占主要;在高速時(shí)電壓 模型計(jì)算的磁鑄占主要,R兩者能平滑過(guò)渡2/再通過(guò)式(門)可計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈角可 得蛙).3轉(zhuǎn)速估計(jì)4試驗(yàn)

12、結(jié)果試驗(yàn)采用DSP( I MS320F7812)為核心的數(shù)字 控制系統(tǒng).由于F2812的運(yùn)算速度高達(dá)150 MIPS, 它同時(shí)用做矢雖控制算法和PWM披的產(chǎn)生 F2812 板上還有光電編碼器接口 ,用于電機(jī)速度的實(shí)時(shí)測(cè) 輦 而且把b2«12的EVB配置成一亍簡(jiǎn)單的D/A, 用于數(shù)據(jù)變就的輸出，具體用送參見(jiàn)文獻(xiàn)電機(jī)和控制器的相關(guān)參數(shù)如表1所示.開環(huán)轉(zhuǎn)速怙計(jì)是通過(guò)感竝電機(jī)在靜止坐標(biāo)系下 方程得到.它依賴干電機(jī)的參數(shù)若參數(shù)不準(zhǔn)確會(huì)產(chǎn) 生穩(wěn)態(tài)誤差+但總相對(duì)MRAS轉(zhuǎn)速估計(jì)器它前 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般可以滿足調(diào)速需要.把式(7)，式(8)分別帶人式(3),式(4)中可得電機(jī)獗定樣率f/Hz50電機(jī)額

13、宦電用V/V380電機(jī)額遲電液*/A5電機(jī)極牧4采樣周期T/nis0.2電壓補(bǔ)償比例索數(shù)K/trsd/g)關(guān)電壓補(bǔ)償觀分岳數(shù)K.AradA)LJO轉(zhuǎn)速怙計(jì)截止頻率止處5表1電機(jī)和控制器參數(shù)'Iabr 1 Moicr aiul controller paramctcra日心_ 心丄匸巾.1“ 一珥+7?軋"由磁鏈估計(jì)得到趴人皿“瑕,所以叫 Fd；把式(16)t(17)帶入式(怡)中,整理得(16)(17)(18)d?(19)式(19)右邊第二項(xiàng)即為轉(zhuǎn)差頻率，在轉(zhuǎn)子磁鏈為常輦時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率成正比可由文獻(xiàn)1屮的電磁轉(zhuǎn)矩公式得到驗(yàn)證補(bǔ)償比例和積分系數(shù)的選擇使磁鏈觀測(cè)器能在 2

14、0 Hz左右平滑過(guò)渡，轉(zhuǎn)速估計(jì)截止頻率的選擇既 貶濾除噪聲又能滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求圖35)和(IJ分別為電機(jī)空載運(yùn)行在低速利髙 速吋的穩(wěn)態(tài)波形小相電流G和轉(zhuǎn)子磁鏈角乩從試M申-F為電機(jī)的極數(shù)“從式(2)可以得到轉(zhuǎn)速400ft) W叫一 2丄："(心申F亦紐)(20)但同步頻率是由微分產(chǎn)生的，它會(huì)放大噪聲倩 號(hào)，所以在同步頻率之后接一個(gè)一階低通濾波器，濾 除放大的噪聲信號(hào)為叭=tut/(l + prf)(21)式中Trt=l/(2n/c)a/t是謔波器的截至頻率"是 微分算子實(shí)際帶入式(2。)是血屮制4圖3試驗(yàn)遁酈Fig. 3 Experimental rtsults圖4為轉(zhuǎn)子

15、磁鏈在額定狀態(tài)下的波形.近似凰 形的磁場(chǎng)進(jìn)一步驗(yàn)證磁鏈觀測(cè)器的就良性能，圖55)和(b)分別為電機(jī)加速時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速和怙算轉(zhuǎn)速波形試驗(yàn)驗(yàn)證不論在動(dòng)態(tài)還是穩(wěn)態(tài)均能圧|維普贄訊 nttp:|維普贄訊 nttp:|1()2北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)第31卷|維普贄訊 nttp:|圖4轉(zhuǎn)子磁鏈Fig. 4 Rotor flux確估計(jì)轉(zhuǎn)速.値r/s佔(zhàn)翼電肌連哄圖5實(shí)際連度和怙算速度Fig. 5 Real and estimate speed5結(jié)論分析了直接磁場(chǎng)定向控制下電壓、電流模型的 各自特點(diǎn)，研究了基于電壓電流混合模型的轉(zhuǎn)子磁 鏈觀測(cè)器混合模型克服了單一模型的缺點(diǎn)，保留了 各自的優(yōu)點(diǎn)，使磁鏈觀測(cè)器能在較寬的速度范

16、圍內(nèi) 達(dá)到令人滿意的穩(wěn)態(tài)性能.而R山于觀測(cè)器的優(yōu)良 性能，使得轉(zhuǎn)速估計(jì)僅以簡(jiǎn)單的開環(huán)就町以滿足需 求,為無(wú)速度傳感器矢量控制提供一種參考.參考文獻(xiàn)：1 Binial K Base. Modem Power ElecirOnics and AC Drives ML Prentice： Hall PTR Prent ice-Hall, Inc. 2002.2 Cristian Laiscu, Icn EJoldeat Frede Blaabjerg. A Modified Di- rwl Torque Control for Induction Motor Sensorless Drive J,

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