一種改進(jìn)的模型參考自適應(yīng)定子磁鏈觀測器

暴國輝，鄧德衛(wèi)，梅柏杉，虞江，傅闖

(1.湘潭大學(xué),湖南 湘潭 411100;2,上海電力學(xué)院,上海 200090)

一種改進(jìn)的模型參考自適應(yīng)定子磁鏈觀測器

暴國輝1，鄧德衛(wèi)1，梅柏杉2，虞江1，傅闖1

(1.湘潭大學(xué),湖南 湘潭 411100;2,上海電力學(xué)院,上海 200090)

分析了幾種常用磁鏈觀測方法，提出一種改進(jìn)的MRAS(模型參考自適應(yīng))磁鏈轉(zhuǎn)速觀測器，同時辨識了定子磁鏈和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。在異步電機(jī)按定子磁場定向控制系統(tǒng)中，采用定子電阻壓降補(bǔ)償和電流轉(zhuǎn)矩分量的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了定子磁鏈的控制，系統(tǒng)具有較好的魯棒性。

MRAS；矢量控制；磁鏈觀測

1 引言

近年來，高性能無速度傳感器[1]矢量控制的實(shí)現(xiàn)吸引了各國科研工作者的廣泛關(guān)注，并已成為了驅(qū)動控制研究的熱點(diǎn)之一[2]。無速度傳感器矢量控制仍然沿用磁場定向控制技術(shù)，只是轉(zhuǎn)速獲得方法不同。因此，無速度傳感器磁場定向矢量控制技術(shù)的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確獲取磁場定向角以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息[3，4]?；谏鲜銮闆r，本文提出一種改進(jìn)的MRAS(模型參考自適應(yīng))[5]磁鏈轉(zhuǎn)速觀測器，同時辨識了定子磁鏈和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。構(gòu)成了定子電阻壓降補(bǔ)償和電流轉(zhuǎn)矩分量的閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了定子磁鏈的控制。仿真表明該系統(tǒng)在低速范圍具有較強(qiáng)的魯棒性。

2 常用定子磁鏈觀測方法

2.1 U-I模型

根據(jù)異步電機(jī)定子電壓方程

(1)

可以得到：

ψs=∫(us-Rsis)dt=∫Esdt

(2)

其中，us為定子電壓矢量；is為定子電流矢量；Es為定子反電動勢；ψs為定子磁鏈?zhǔn)噶俊?/p>

圖1為異步在電機(jī)20Hz頻率下運(yùn)行的實(shí)際磁鏈和U-I模型辨識磁鏈β軸的仿真波形，其中灰色為實(shí)際磁鏈，黑色為辨識的磁鏈。從圖中可以看出，由于純積分和定子電阻的影響，使得電壓模型觀測的磁鏈增大，并且產(chǎn)生了直流偏置，辨識出現(xiàn)誤差。

2.2 I-N模型

根據(jù)三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓方程和磁鏈方程：

(3)

圖1 U-I法模型實(shí)際磁鏈和辨識磁鏈的比較波形

圖2 I-N法模型實(shí)際磁鏈和辨識磁鏈的比較波形

由上式可以得到：

(4)

上式便是基于定子電流，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的磁鏈觀測模型，圖2為異步電機(jī)磁鏈辨識仿真波形?？梢钥闯?，I-N模型要比U-I性能好很多，但是在轉(zhuǎn)子參數(shù)變化時仍然不能對磁鏈準(zhǔn)確辨識。

2.3 MRAS法

圖3 MRAS模型結(jié)構(gòu)框圖

可設(shè)計(jì)廣義誤差環(huán)節(jié)為：

(5)

自適應(yīng)算法為一PI調(diào)節(jié)器

(6)

圖4為MRAS模型下異步電機(jī)磁鏈辨識仿真波形。可以看出，MRAS模型對轉(zhuǎn)子參數(shù)的自適應(yīng)性很好，但由于其參考模型中含有積分環(huán)節(jié)，所以對直流偏置的誤差不能消除。同時，由于電壓模型中含電阻參數(shù)，因而定子電阻變化對磁鏈辨識準(zhǔn)確度有一定的影響，在實(shí)際應(yīng)用中仍需改進(jìn)。

3 改進(jìn)的MRAS方法辨識磁鏈和轉(zhuǎn)速

針對以上MRAS磁鏈觀測器存在的缺點(diǎn)，本文提出了一種改進(jìn)的MRAS磁鏈觀測器，其基本結(jié)構(gòu)是電流模型在前，電壓模型在后，兩者成串聯(lián)形式，如圖5所示。

圖4 MRAS法模型實(shí)際磁鏈和辨識磁鏈的比較波形

圖5 改進(jìn)的MRAS模型結(jié)構(gòu)框圖

圖6為改進(jìn)的MRAS模型下異步電機(jī)磁鏈辨識仿真波形。從波形可以看出，改進(jìn)的MRAS模型基本消除了直流擾動和定子電阻的影響。比較上述四種種模型下的磁鏈辨識情況，改進(jìn)的MRAS磁鏈觀測模型基本不受定、轉(zhuǎn)子參數(shù)和直流擾動的影響(藍(lán)色與紅色波形基本重合)，魯棒性很好。

4 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

異步電機(jī)按定子磁場定向的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 改進(jìn)的MRAS法模型實(shí)際磁鏈和辨識磁鏈的比較波形

圖7 定子磁場定向的無速度傳感器矢量控制框圖

按圖7所示系統(tǒng)原理框圖連接各模塊，搭建仿真模型。電機(jī)參數(shù)設(shè)置如下：額定電壓UN為380V，額定電流IN為8A，極對數(shù)np=4，額定轉(zhuǎn)速n=705rpm/min，定子漏電感Ls=0.00501H，轉(zhuǎn)子漏電感Lr=0.00456H，互感為0.09751247H，定子電阻Rs=0.625Ω，轉(zhuǎn)子電阻初始值Rr=0.5Ω，轉(zhuǎn)動慣量J=0.23kg·m2，額定轉(zhuǎn)矩T=70N·m。機(jī)側(cè)采用LCL濾波，濾波電感L=1.0mH，濾波電容C=10μF。由于定子電阻的變化對電機(jī)在低速時影響較大，所以對電機(jī)帶額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩啟動，在300rpm/min低速運(yùn)行，對應(yīng)同步轉(zhuǎn)速的頻率為20Hz，進(jìn)行不同工況下的仿真。

4.1 定子電阻辨識與補(bǔ)償作用的分析

給定轉(zhuǎn)速300rpm/min，設(shè)定定子電阻在0.5s時由0.625Ω突變至1.625Ω，觀察電機(jī)運(yùn)行情況。

圖8 定子電阻變化電機(jī)運(yùn)行特性

圖8為定子電阻變化時電機(jī)運(yùn)行特性波形圖，可看出定子電阻辨識能夠準(zhǔn)確辨識，定子磁鏈基本保持不變，轉(zhuǎn)速辨識值能夠很好地跟隨實(shí)際轉(zhuǎn)速。仿真波形表明，由于系統(tǒng)定子電阻辨識及電阻壓降補(bǔ)償準(zhǔn)確，系統(tǒng)幾乎不受定子電阻變化影響，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

4.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時系統(tǒng)動態(tài)性能分析

設(shè)定負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.3s時由額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩70N·m躍變?yōu)?00N·m，在0.6s時由100N·m躍變?yōu)?0N·m，觀察電機(jī)運(yùn)行情況。

圖9為負(fù)載階躍升高和降低額定負(fù)載值的43%時電機(jī)運(yùn)行特性圖，在0.3～0.6s之間，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，電機(jī)定子電流上升，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擾動較小，基本保持穩(wěn)定，定子磁鏈幾乎不受影響，系統(tǒng)動態(tài)性能良好。

圖9 負(fù)載階躍升高和降低額定負(fù)載值的43%時電機(jī)運(yùn)行特性

5 結(jié)論

在感應(yīng)電機(jī)按定子磁場定向控制系統(tǒng)中，采用改進(jìn)的MRAS模型辨識定子磁鏈,解決了定轉(zhuǎn)子參數(shù)變化和純積分對磁鏈辨識帶來的誤差。在此基礎(chǔ)上構(gòu)成了異步電機(jī)按定子磁場定向控制系統(tǒng)，電機(jī)在低速運(yùn)行時，整個系統(tǒng)具有很好的魯棒性。

[1] Holtz,J.Sensorless control of induction motor drives,Proceedings of the IEEE,2002:1359-1394.

[2] 馮垛生，曾岳南.無速度傳感器矢量控制原理與實(shí)踐[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006,2:66-86.

[3] 劉軍鋒，李葉松.定子電阻對無速度傳感器系統(tǒng)的影響及其在線調(diào)整[J].電氣傳動，2007(37):6-9.

[4] 張春朋，林飛，陳壽孫.改進(jìn)U-I法異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004(24):126-129.

[5] 李健，程小華.MRAS感應(yīng)電機(jī)定子電阻的在線辨識[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2007(11):620-623.

An Improved MRAS Stator Flux Observer

BAOGuo-hui1,DENGDe-wei1,MEIBai-shan2,YUJiang1,FUChuang1

(1.Xiangtan University,Xiangtan 411100,China;2.Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)

An improvement MRAS (model reference adaptive system) flux and speed observer which identifies the stator flux and rotor speed is analyzed.Stator resistance compensation and torque component of current closed loop control strategy is adapted in stator flux oriented sensorless vector control of induction motor system.Stator flux control is realized and the system has a good robust.

MRAS;vector control;flux linkage observation

上海市教委重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助(J51301)； 上海市教委自然科學(xué)基金(07ZZ146) 。

1004-289X(2014)02-0008-05

TM614

B

2013-05-10

暴國輝(1987-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制、電機(jī)設(shè)計(jì)及電磁分析; 梅柏杉(1958-)，男，本科，教授級高工，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏鲃涌刂葡到y(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、特種電機(jī)及其控制系統(tǒng)。