異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制四種轉(zhuǎn)速估算方案低速帶載性能對(duì)比研究

1、202異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制四種轉(zhuǎn)速估算方案低速帶載性能對(duì)比研究異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制四種轉(zhuǎn)速估算方案低速帶載性能對(duì)比研究尹忠剛，楊立周，鐘彥儒 (西安理工大學(xué)電氣工程系，西安710048)摘要：本文對(duì)異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制電壓模型轉(zhuǎn)速估算方案、電流模型轉(zhuǎn)速估算方案、轉(zhuǎn)矩電流誤差轉(zhuǎn)速估算方案及模 型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算方案進(jìn)行了研究，對(duì)四種轉(zhuǎn)速估算方案的低速性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并從起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、通用性及算法復(fù)雜度3個(gè)方面對(duì) 四種轉(zhuǎn)速估算方案進(jìn)行了綜合比較與評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞：無(wú)速度傳感器；轉(zhuǎn)速估算；電壓模型；模型參考自適應(yīng)1引言器矢量控制電壓模型轉(zhuǎn)速估算方案、電流模型轉(zhuǎn)速估算方案、轉(zhuǎn)矩 由于

2、不需要價(jià)格昂貴、不易維護(hù)的速度傳感器，無(wú)速度傳感器電流誤差轉(zhuǎn)速估算方案及模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算方案的原理進(jìn)矢量控制系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注i-：zl。行分析。 經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的研21基于電壓模型的轉(zhuǎn)速估算 究取得了令人矚目的成果，在中高速區(qū)域已經(jīng)得到了應(yīng)用，但是在 根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁鏈變換率的關(guān)系，取電動(dòng)勢(shì)的積分就可 某些如礦井提升機(jī)、大型的拉絲機(jī)、軋機(jī)等需要低速大轉(zhuǎn)矩的工業(yè)以得到磁鏈，因此，稱為電壓模型。 應(yīng)用場(chǎng)合，控制性能還很難滿足人們的要求，同時(shí)新生產(chǎn)技術(shù)與新 兩相靜止坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子磁鏈模型由式(2)所示，由式(2)可以 型加工原

3、料的出現(xiàn)，也對(duì)無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)低速性能提得出基于電壓模型估算轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 出了更高的要求?？梢钥闯?，電壓模型法轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器實(shí)質(zhì)是一個(gè)純積分器，針對(duì)上述需求，本文對(duì)異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制電壓 優(yōu)點(diǎn)是：a)算法簡(jiǎn)單b)算法不含轉(zhuǎn)子電阻，因此受電機(jī)參數(shù)變化 模型轉(zhuǎn)速估算方案、電流模型轉(zhuǎn)速估算方案、轉(zhuǎn)矩電流誤差轉(zhuǎn)速估 影響??；c)不需要轉(zhuǎn)速信息，對(duì)于無(wú)速度傳感器頗具吸引力。但是， 算方案及模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算方案進(jìn)行了深入研究，并對(duì)四 在低速時(shí)，純積分環(huán)節(jié)、定子電阻壓降等問題使得電壓模型的使用 種轉(zhuǎn)速估算方案的低速性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究。存在一定的局限。2異步電機(jī)無(wú)

4、速度傳感器矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速估算方案 =PL m -Rsi)at-ozia 轉(zhuǎn)子磁通的相角能和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)差之間的關(guān)系為：(2)仍=f匆出=f(q帆)出(1) = 一k一k P。L “撲” 蠔b 一墨“),tt-oLsi,盧器札F圖2基于電壓模型估算轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)框圖圖l無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖 由式(1)可以看出，如果能觀測(cè)出轉(zhuǎn)子磁通角仍，并計(jì)算出轉(zhuǎn)差q。，則可以估算出轉(zhuǎn)速。 無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。速度估算是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，速度估算的準(zhǔn)確性直接影響到調(diào)速系統(tǒng) 的動(dòng)、靜態(tài)特性，特別是低速性能。以下將對(duì)異步電機(jī)無(wú)速度傳感圖3基于改進(jìn)電壓模型估算轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)框圖作者簡(jiǎn)介：尹

5、忠剛男1982年生，講師。博士，主要研究方向?yàn)楦咝阅芙涣髡{(diào)速系統(tǒng)與電力電子變換器數(shù)字化控制。針對(duì)電壓模型的純積分環(huán)節(jié)引起的誤差，用一階低通濾波器楊立周男，1985年生碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦咝阅茏兇婕兎e分環(huán)節(jié)?；诟倪M(jìn)電壓模型估算轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)框圖如圖3頻調(diào)速系統(tǒng)控制策略。所示。鐘彥儒男，1950年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榻涣鱾鲃?dòng)與新型電力電子裝置。22基于電流模型的轉(zhuǎn)速估算中國(guó)電源學(xué)會(huì)第十九躬學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 203在日相靜t±標(biāo)下輸出自與轉(zhuǎn)子破鏈的莢系如式(3)所MRAS是一種gf穩(wěn)定性設(shè)計(jì)參數(shù)辨識(shí)方法，揮T參數(shù)辨識(shí)漸進(jìn)收斂。其±要目想是將吉未知參數(shù)方程作為

6、參考 模g，而將古有待辯識(shí)參敬方#作為月模g，利月目十模d具卜2赤“r哨n，)有相同物理意女白勺輸iB囂的*差構(gòu)成合適白勺自適應(yīng)律來(lái)實(shí)時(shí)櫥節(jié)日調(diào)模女待辨識(shí)的參數(shù)最終a到控制對(duì)象的輸出跟蹤參考模gh=南(+q)目。月幅靜m±標(biāo)±白勺轉(zhuǎn)子m鏈m壓橫女日H袁i*式(2)。其中，為漏磷系數(shù)，口=l一(ku)。兩相靜止坐標(biāo)上的轉(zhuǎn)子碰鏈電流楗女日m表示*式(3)。其中，為轉(zhuǎn)時(shí)目常數(shù)，C=，耳。 從t式日u看出，電模女和電流模g具有相同物理意義的 棺置轉(zhuǎn)fm鏈，*且自甩匿女目轉(zhuǎn)速無(wú)莢目此將自模作為 參考模g，將含有電機(jī)轉(zhuǎn)速的電流摸作為日月橫，利用月個(gè)模目4基f電流模d估算轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)框目

7、i現(xiàn)轉(zhuǎn)子碰鏈誤差桕戚臺(tái)適的自適應(yīng)辜m謝節(jié)日月橫女參 基f自流囂g估算轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)框圖如目3所幣。效當(dāng)誤差趨于零時(shí)估算轉(zhuǎn)建f實(shí)R轉(zhuǎn)4原理框圖如圖6所 從理論上說(shuō)，電流模型可“算出零速時(shí)的轉(zhuǎn)于盛通目此對(duì)低 示。速暖具吸力。但自南嚷臼奇轉(zhuǎn)子時(shí)目常數(shù)該參數(shù)具有a著 =ji五iP 的時(shí)變特性，當(dāng)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低擅運(yùn)行時(shí)，諼參數(shù)會(huì)大范圍變化，嚴(yán)。I廣矗。 重影響磁鏈觀測(cè)精度。由t田日“看電流摸g對(duì)鞋鞋盼m測(cè)蓓要轉(zhuǎn)速信息，過(guò)是電淞畦在無(wú)速度傳感器矢量控翩系統(tǒng)中最大的缺點(diǎn)。因?yàn)?，在某些工況下或者系統(tǒng)的固有振蕩由f系統(tǒng)。_J一!壁!_固有振藹，電機(jī)電流會(huì)發(fā)±振蕩+目此估算的轉(zhuǎn)速必然舍受到目有一亙面ip一振蔫

8、的影響再用過(guò)十轉(zhuǎn)速去觀測(cè)磁鏈，會(huì)形成惡性循環(huán)加劇系目6基f MBAS白勺4估算原理框月統(tǒng)的振蕩。23基于轉(zhuǎn)矩電漶誤*的轉(zhuǎn)镕估算3實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究對(duì)f*環(huán)轉(zhuǎn)建f捧系統(tǒng)自機(jī)的參數(shù)發(fā)±變化時(shí)，估算轉(zhuǎn)速 在m英飛受XEl64FM為內(nèi)核的產(chǎn)8平臺(tái)±對(duì)異步電機(jī)元速 的準(zhǔn)確度必然會(huì)受到髟響，而采用團(tuán)環(huán)控幫可“有效抑锎這種影 度傳感器矢量控制自壓模2轉(zhuǎn)建估算方案、電流模轉(zhuǎn)速估算方 響。H閉環(huán)#制轉(zhuǎn)速估算基$思想基于某些量誤通 案、轉(zhuǎn)矩電流誤差轉(zhuǎn)速估算方案廈模女垂考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算方案過(guò)n調(diào)節(jié)器獲得轉(zhuǎn)速信息。進(jìn)行T實(shí)§究。 煞#方法爭(zhēng)n調(diào)節(jié)器的輔人量為轉(zhuǎn)電流給定值與實(shí)R值3'基f

9、電壓模型轉(zhuǎn)速怙算實(shí)驗(yàn)結(jié)$鞋分析之差，輸出量為轉(zhuǎn)建辨識(shí)值。菇若系式如下式：田8給出T系統(tǒng)空載行時(shí)+給定轉(zhuǎn)速?gòu)?15 rpra，+75rpm 到一75npm到一ISrpm變化時(shí)的電流波彤，“看出電機(jī)E轉(zhuǎn)垃鼠=(+粵)畦一)(4霉切換時(shí)，電流無(wú)相位突變自振藹，日H實(shí)現(xiàn)z匣轉(zhuǎn)的平*換。圈7給出了§載運(yùn)行時(shí)蛤定轉(zhuǎn)速?gòu)?15刪到+75rpm變化時(shí)轉(zhuǎn)建的響應(yīng)鼢。H目中日“看ii，估算轉(zhuǎn)镕蒯E好的跟錯(cuò)定轉(zhuǎn)速。訂心fj+njl獺蛾嶺曦?o二汪jjjrj、一2。 。，?！?一v田7+lSrpmN+75rpm變圉8“5mm帥mm到45口m目L化時(shí)轉(zhuǎn)建波形15rpm變佑H輸出電巍馬粕EaHB圈5基f轉(zhuǎn)矩電流

10、誤差估算轉(zhuǎn)速的無(wú)速度傳感節(jié)“一一器*量控制系統(tǒng)框圈圈5給出了基于轉(zhuǎn)矩電流誤差的轉(zhuǎn)建估算方案系統(tǒng)框圖可喇淵扒mw“看出這種轉(zhuǎn)速估算方寮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在轉(zhuǎn)矩自勵(lì)碰完全解輯情的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為基轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)過(guò)程依齄f電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)一loudly況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)目“獲得無(wú)差的轉(zhuǎn)速信息。但是詼方案“感應(yīng)電機(jī) 4動(dòng)慣量#負(fù)載目n參數(shù)目具體教值T像一般的H調(diào)節(jié)器郡圖9Srpm運(yùn)行時(shí)，突加150的額定負(fù)載響應(yīng)E形樣窖易設(shè)計(jì)，R能參考轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的劃崍?jiān)嚻嘣谡{(diào)試中§后確圈9給出了15rpm空載運(yùn)行時(shí)，突加150額定負(fù)載時(shí)響應(yīng)波 定。形，可H看出，突加負(fù)載后，轉(zhuǎn)電流迅4t井同時(shí)輸出電流變24基f模型參考自適應(yīng)的轉(zhuǎn)矗怙算

11、太且報(bào)快達(dá)到穩(wěn)態(tài)。由“上的分析可知，基于改進(jìn)電壓摸型轉(zhuǎn)204異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制四種轉(zhuǎn)速估算方寨|氐速帶載性能對(duì)比研究建估算方案的無(wú)建度傳瞎器*量控制系統(tǒng)能較快的響應(yīng)給定轉(zhuǎn) “j。，。V?！埃?”載動(dòng)裹響應(yīng)良紙腳“”“雕達(dá)到“鞭定8。y輔黼IIr*" 4-一“-3,2基于電流幢型轉(zhuǎn)遘估算實(shí)驗(yàn)結(jié)暈豆分析vL ”一。J 7 “ pu¨ 一岫機(jī)圖14 15rpm運(yùn)行時(shí)，突加月15 9rDro行時(shí)，突加。 瀨蹴z”?！?粼扮m 180的額定負(fù)載響應(yīng)波形 180的額定負(fù)載響應(yīng)波形。m一 ，m一、用10】5Ppm運(yùn)行時(shí)，突加固11 9聊n運(yùn)行時(shí)，突加】00 150額定負(fù)載響應(yīng)波

12、形的額定負(fù)載響應(yīng)渡形固lO蛤mT蛤定轉(zhuǎn)速15rpmi載行時(shí)，突加1加”額定負(fù)載時(shí)響應(yīng)渡形可阱看出突加負(fù)骺，轉(zhuǎn)矩電流迅速上升，同時(shí)輸出電流變大。H推決達(dá)到穩(wěn)志。由“±分析日知，基電流模型轉(zhuǎn)自懈的镕；i盞鏟“”“1髓度f(wàn)感器矢量控制系境能較陜的響應(yīng)給定轉(zhuǎn)速豹變化，加載；暗i*HgHI日i響應(yīng)嘶，15rpm(n5Hz”達(dá)到1啪自額定。自#自女t日*#f自q*自§#自*自自#目n，#m圖11給出T蛤定轉(zhuǎn)速帥時(shí)船載起動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)雍幀載b自Io#口§Pl* 口g#*口*R#自*的被形日“看出，基于電流漠型轉(zhuǎn)速估算的盂建蠹嗡喀器矢量控制，J、ttdm十目自自系統(tǒng)加藏動(dòng)態(tài)響應(yīng)輔

13、*口m(03Hz)能達(dá)到lOD的額定糍。33基于轉(zhuǎn)矩電流誤差轉(zhuǎn)速估算實(shí)驗(yàn)結(jié)果爰分析母12培出了系統(tǒng)15rpm空載運(yùn)行耐，蜘1撕糍定負(fù)載根據(jù)襲l中的咎項(xiàng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)綜臺(tái)轅四種轉(zhuǎn)建估算方時(shí)的電流和轉(zhuǎn)矩瘟形+由圖日“看出，突加負(fù)載后，轉(zhuǎn)矩電流迅速 賽可“看出基fMP,AS的轉(zhuǎn)速佑算方案具有最好的投低建性能。 上升同時(shí)輸出電流變大且很快達(dá)到穩(wěn)志。由“上的分析可知基 基T改進(jìn)電壓睦型轉(zhuǎn)速估算方案的通用性最好，但是在橙低速區(qū) 于轉(zhuǎn)矩電辯涅差轉(zhuǎn)建估算豹無(wú)逮度傳感器矢量控制系統(tǒng)能快速的 域時(shí)PI參數(shù)及開美頻卑比較敏感極低建性能較差；基f電藏攥 響應(yīng)轉(zhuǎn)建給定的變化加戴動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，15口m(n5m)能達(dá)到 轉(zhuǎn)蘸

14、估算方寨的概低速性能和穩(wěn)定性略位于改進(jìn)電壓模型方160的額定轉(zhuǎn)矩，”p 1V“ 一 塞，但是電機(jī)長(zhǎng)時(shí)問低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子電阻的變換范阿較大，且基于電流模型的轉(zhuǎn)速估算方寨在負(fù)載尢范睛變化自虹況下不粒單獨(dú)使用基f轉(zhuǎn)矩電流謂差舶轉(zhuǎn)速f自算方案極低建性能優(yōu)于電流模型方一警i橢刪晰。一一”“刪W耖一一： 案，授抵建穩(wěn)定性較好。但居轉(zhuǎn)建f占算用H參數(shù)的選取與系統(tǒng)晰動(dòng)慣量有關(guān)，R髂茁確定的I況下通過(guò)誦試?。换贛Rs的轉(zhuǎn)建估P“-一。pv一一、算方案腿低蓮性能憮于其它=種方案，屬f閉環(huán)轉(zhuǎn)速估算藤，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的敏臻暾豫但黜比較夏雜。圖12 15唧運(yùn)行時(shí)突加圖13鯽m運(yùn)行時(shí)。突加120在目前國(guó)內(nèi)外的變頻器產(chǎn)品中

15、。電壓橫法使用較多但是隨160的額定負(fù)載響應(yīng)渡形的額定負(fù)載響應(yīng)渡形著研究的T斷耀基f轉(zhuǎn)矩電流誤差的轉(zhuǎn)速估算方案和基于圖13蛤出T靛轉(zhuǎn)速9胛時(shí)加載起動(dòng)自穩(wěn)志運(yùn)行時(shí)憲加盎載MRAS的轉(zhuǎn)蓮估算方案的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越多。的渡形可以看出基f轉(zhuǎn)矩電流謾差轉(zhuǎn)速估算的無(wú)速度1專感喉量控制系統(tǒng)，加煢動(dòng)卷響應(yīng)船9p|ll(Hz)能達(dá)到12慚的額定矩。 4緒論34基于模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算鰣播結(jié)果殛分析本文對(duì)異步電機(jī)無(wú)建度傳盛器矢量控制電壓模!轉(zhuǎn)速估 圖14蛤出了系統(tǒng)15mm空載運(yùn)行時(shí)，亮加180的額定負(fù)載算方案、電流模型轉(zhuǎn)蓮估算方案、轉(zhuǎn)矩電梳誤差轉(zhuǎn)建估算方案 時(shí)電流和轉(zhuǎn)螺渡形。由圖可“看出，突加負(fù)載后，轉(zhuǎn)矩電流m速

16、t爰橫型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算方案進(jìn)行T深研究，對(duì)日種轉(zhuǎn)速 升，同時(shí)輸出電流變太，且很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)。由以上的分析可知，基干估算方案的低速性能宴驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究，井從起動(dòng)轉(zhuǎn) 橫!參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)建估算的無(wú)速度停感器矢量控制系統(tǒng)能快速響矩、通用性廈算法復(fù)雜度3十方面對(duì)口種轉(zhuǎn)速估算方案進(jìn)行T應(yīng)蛤定轉(zhuǎn)速的變化，加襲動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，15rpm(O 5Hz)能達(dá)到綜臺(tái)比較與評(píng)價(jià)。 180的額定轉(zhuǎn)矩。閣15給出了9rpm(03Hz時(shí)加載起動(dòng)和穩(wěn)卷i行時(shí)突加負(fù)參考文獻(xiàn)載的潑形，可u看出，基f模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算的無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，加蔻動(dòng)態(tài)響應(yīng)矗斟9rpm(03)能迭到l n勘卅y M Gadom，I岫nI¨GI John W FinohMFAS軸n$odcVtor C,o呻d d¨Induc6m Mm"Using New的額定轉(zhuǎn)矩。3 5日種轉(zhuǎn)魂估算方案技術(shù)性健對(duì)比與譚價(jià)sljd·nrMde拍d F岫一