感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制優(yōu)化算法

江金魚，黃 磊，楊春杰

(湖北理工學(xué)院，黃石 435003)

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制優(yōu)化算法

江金魚，黃 磊，楊春杰

(湖北理工學(xué)院，黃石 435003)

電動(dòng)汽車無(wú)速度傳感器矢量控制需要估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速，利用電壓模型估計(jì)轉(zhuǎn)速用到的電機(jī)參數(shù)少，算法簡(jiǎn)單，但由于純積分環(huán)節(jié)的存在，會(huì)導(dǎo)致積分輸出漂移和飽和。常規(guī)的抑制辦法是采用濾波器，但會(huì)帶來(lái)較大的幅值與相位誤差，影響速度觀測(cè)精度甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。為了解決因純積分導(dǎo)致的問題，提出了一種改進(jìn)的電壓模型轉(zhuǎn)速估計(jì)算法，該算法不含濾波器，而是利用定子側(cè)反電勢(shì)獲得同步轉(zhuǎn)速進(jìn)而估算電機(jī)轉(zhuǎn)速，避開了電機(jī)電流的微分運(yùn)算以免放大檢測(cè)噪聲，不需要預(yù)測(cè)下一拍電流，算法簡(jiǎn)單有效，易于實(shí)現(xiàn)。最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的正確性和有效性。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；電壓模型；轉(zhuǎn)速估計(jì)；矢量控制

0 引 言

基于能源與環(huán)境問題的考慮，電動(dòng)汽車逐漸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、價(jià)格低廉及易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1-2]。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制通常需要在電機(jī)上安裝速度傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速，這會(huì)提高成本，增加系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜度，并使系統(tǒng)的可靠性降低，而采用無(wú)速度傳感器技術(shù)，即利用檢測(cè)電機(jī)的其它變量來(lái)觀測(cè)(估計(jì))電機(jī)的轉(zhuǎn)速以替代轉(zhuǎn)速傳感器將是一種不錯(cuò)的解決方案。速度估計(jì)方法主要有狀態(tài)觀測(cè)器法、模型參考自適應(yīng)法、電機(jī)電壓或電流模型法等。前兩類方法比較復(fù)雜,難以實(shí)際應(yīng)用，而電壓模型法算法簡(jiǎn)單，涉及到的電機(jī)參數(shù)少，但由于算法中含有純積分運(yùn)算，積分初值和積分零漂會(huì)導(dǎo)致積分輸出漂移和飽和現(xiàn)象，影響速度觀測(cè)精度甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。解決的方法有低通濾波器法、低通加高通濾波器法、閉環(huán)反饋法等，但會(huì)帶來(lái)相位及幅值誤差[3-5]。文獻(xiàn)[6]給出了一種基于轉(zhuǎn)子反電動(dòng)勢(shì)的同步轉(zhuǎn)速估計(jì)方法，能夠有效抑制積分漂移和飽和，但是需要用到電機(jī)總漏感和電機(jī)電流的微分項(xiàng)，前者的誤差會(huì)影響估算同步轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確性，后者受電流的采樣誤差影響甚至?xí)糯箅娏鞑蓸釉肼?同時(shí)，在數(shù)字化實(shí)現(xiàn)微分時(shí)需要估計(jì)下一拍的電流值帶來(lái)進(jìn)一步的誤差。本文在此基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的方案，利用定子側(cè)反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)同步轉(zhuǎn)速，基于間接矢量控制獲得轉(zhuǎn)差速度進(jìn)而估計(jì)出電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。同步轉(zhuǎn)速估計(jì)不需要用到電感和總漏感，也不需要計(jì)算電流的微分。所提方法簡(jiǎn)單有效，易于實(shí)際應(yīng)用，可用于電動(dòng)汽車的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以滿足高功率密度、高可靠性和高性能的要求。

1 新型無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)

1.1 新型速度估計(jì)算法

同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系下電機(jī)電壓方程：

(1)

式中:usd,usq,isd,isq,ψsd,ψsq分別為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子電壓、定子電流和定子磁鏈。

當(dāng)參考坐標(biāo)系指向定子磁鏈時(shí)，則ψsq=0，pψsq=0，式(1)可化為：

(2)

式中:esd,esq為定子側(cè)反電動(dòng)勢(shì)。

由式(2)可得同步轉(zhuǎn)速：

(3)

則電機(jī)轉(zhuǎn)速的估計(jì)值可由如下公式獲得：

(4)

由式(3)和式(4)，新型速度估計(jì)算法如圖1所示。注意：式(1)～式(3)中的電壓、電流和磁鏈的d,q分量是在定子磁鏈定向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下計(jì)算的，僅用于電機(jī)轉(zhuǎn)速的估計(jì)；下文中的間接矢量控制系統(tǒng)中的電壓、電流d,q分量在轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系下計(jì)算。

圖1 新型速度估計(jì)算法原理圖

由式(2)～式(4)及圖1可知，新型速度估計(jì)算法與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速估計(jì)方法[3,6]不同，所提算法典型特征是不需要濾波器，分別在定子磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系估算同步轉(zhuǎn)速及電機(jī)轉(zhuǎn)速。這樣做的好處：一是同步轉(zhuǎn)速的估計(jì)僅受定子電阻影響；二是不需要電流微分及預(yù)測(cè)下一拍。即在定子磁鏈定向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系計(jì)算定子反電動(dòng)勢(shì)以獲得準(zhǔn)確的同步轉(zhuǎn)速，再利用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速觀測(cè)的影響。

1.2 無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)

根據(jù)定、轉(zhuǎn)子磁鏈關(guān)系：

(5)

可得轉(zhuǎn)子磁鏈定向角度：

(6)

式中:θe為轉(zhuǎn)子磁鏈與定子磁鏈的夾角。

根據(jù)式(3)、式(4)和式(6)，即可構(gòu)建電流內(nèi)環(huán)加轉(zhuǎn)速外環(huán)的間接矢量控制系統(tǒng)，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速是估計(jì)值而非檢測(cè)值。該無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖

1.3 速度估計(jì)誤差分析

由式(3)和式(4)可以看出，速度估計(jì)算法受轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)、定子電阻影響，還受電機(jī)端電壓影響，通常用電壓指令值代替實(shí)際檢測(cè)值，因此要考慮逆變器死區(qū)效應(yīng)和數(shù)字PWM延時(shí)的影響。對(duì)于死區(qū)和延時(shí)的影響，在后面的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了補(bǔ)償。轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的變化雖然也影響轉(zhuǎn)速估算的精確度，但由于其只影響轉(zhuǎn)差頻率，其值比較小，引起的轉(zhuǎn)速誤差也較小。由式(3)知，定子電阻影響同步轉(zhuǎn)速的估算，速度越低時(shí)影響越大，甚至失去穩(wěn)定。一種辦法是在極低速區(qū)段，采用轉(zhuǎn)速開環(huán)工作模式[6]，簡(jiǎn)單實(shí)用，實(shí)現(xiàn)成本與效益的平衡。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證所提無(wú)速度傳感器矢量控制方案的有效性，搭建了3kW樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖3所示?；跀?shù)字信號(hào)處理器控制三相電壓源型逆變器驅(qū)動(dòng)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖 一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)同軸，直流發(fā)電機(jī)接電阻作為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)由光電編碼器獲得。相應(yīng)的主電路參數(shù)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和控制器參數(shù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)過程如下：先由電機(jī)空載起動(dòng)加速到額定轉(zhuǎn)速，然后在5 s時(shí)突加負(fù)載，穩(wěn)定運(yùn)行4 s后再去掉負(fù)載，考察轉(zhuǎn)速估計(jì)算法和無(wú)速度傳感器矢量控制的性能。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖4(a)給出了空載起動(dòng)的轉(zhuǎn)速估計(jì)，電機(jī)空載起動(dòng)然后加速到額定轉(zhuǎn)速950 r/min。由圖4(a)可見，估計(jì)轉(zhuǎn)速能很好地跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速。

圖4(b)、圖4(c)給出了負(fù)載突變時(shí)的轉(zhuǎn)速估計(jì)和電機(jī)d,q軸電流的波形。在5 s時(shí)由空載突加80%額定負(fù)載，在9 s時(shí)去掉負(fù)載。由圖4可見，估計(jì)轉(zhuǎn)速能較好地跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速，有一定的動(dòng)態(tài)誤差，但是由電機(jī)電流波形可以看出，d,q軸無(wú)耦合，動(dòng)態(tài)性能良好。

(a) 空載起動(dòng)轉(zhuǎn)速波形

(b)負(fù)載突變轉(zhuǎn)速波形(c)負(fù)載突變d，q軸電流

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過程中，估計(jì)轉(zhuǎn)速都能很好地跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器矢量控制。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種用于電動(dòng)汽車的感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制的簡(jiǎn)化算法，算法根據(jù)電機(jī)電壓模型，利用定子側(cè)反電勢(shì)獲得同步轉(zhuǎn)速進(jìn)而估算電機(jī)轉(zhuǎn)速，避開了電機(jī)電流的微分運(yùn)算以免放大檢測(cè)噪聲，不需要預(yù)測(cè)下一拍電流。分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不含濾波器但純積分環(huán)節(jié)的漂移和飽和仍被有效抑制，在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過程中，都能實(shí)現(xiàn)很好地轉(zhuǎn)速估計(jì)，無(wú)速度傳感器矢量控制工作良好。同時(shí)，該算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于電動(dòng)汽車會(huì)大大降低系統(tǒng)成本。

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A Simplified Speed Sensorless Vector Control Method of Induction Motor for Electric Vehicles

JIANGJin-yu,HUANGLei,YANGChun-jie

(Hubei Polytechnic Universiy,Huangshi 435003,China)

In the speed sensorless vector control of induction motor for electric vehicles, a speed estimator is very important. Conventional voltage model-based method is simple, but there are errors in this method caused by the DC drift and initial value problems of the pure integration. When the low-pass filter is adopted to overcome this problem, amplitude and phase errors are introduced and this will degrade the accuracy of the speed estimation. To overcome this pure integration problem, a modified voltage model-based method without low-pass filter was proposed in this paper. The speed estimation was based on the back EMF of stator winding with no need of differential operation of the stator currents, which may cause noise amplification. The proposed method is simple, effective and easy to implementation. Experimental results verify its feasibility.

induction motor; voltage model; speed estimator; vector control

2015-09-30

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB177)

TM346

A

1004-7018(2016)05-0075-02