淺談交流電機(jī)無(wú)速度傳感器控制策略

吳宏宇 吳興宇 史運(yùn)濤

摘 要：目前，隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，交流電機(jī)將會(huì)被廣泛使用。同時(shí)由于無(wú)速度傳感器技術(shù)具有低成本與高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，所以發(fā)展交流電機(jī)無(wú)速度傳感器技術(shù)，對(duì)于提高科技生產(chǎn)力以及工業(yè)自動(dòng)化具有極其重要的意義。本文將簡(jiǎn)要介紹高性能無(wú)速度傳感器交流電機(jī)控制策略，一種是異步電機(jī)與速度自適應(yīng)全階觀測(cè)器相結(jié)合，另一種永磁同步電機(jī)與滑模觀測(cè)器相結(jié)合的控制方法，旨在進(jìn)一步促進(jìn)高性能無(wú)速度傳感器交流電機(jī)控制策略的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：交流電機(jī)；無(wú)速度傳感器；全階觀測(cè)器；滑模觀測(cè)器

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代電機(jī)控制理論的迅速發(fā)展，交流電機(jī)獲得快速的推廣與應(yīng)用[ 1 ]。目前，在高性能交流電機(jī)控制領(lǐng)域中矢量控制[ 2 ]已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，為了進(jìn)一步提高交流電機(jī)在不同環(huán)境下運(yùn)行的可靠性，交流電機(jī)無(wú)速度傳感器控制技術(shù)被提出。無(wú)速度傳感器控制方法主要分為兩大類，一種為外部信號(hào)注入，這種方法只適應(yīng)于極低速的工況運(yùn)行，同時(shí)額外的信號(hào)注入會(huì)帶來(lái)高損耗、噪聲等問(wèn)題。另一種為基于交流電機(jī)模型的方法，如：模型參考自適應(yīng)[ 3 ]、卡爾曼濾波[ 4 ]、滑模觀測(cè)器[ 5 ]、自適應(yīng)全階觀測(cè)器[ 6 ]等方法，這些方法具有很高的控制精度以及魯棒性。

本文將重點(diǎn)介紹自適應(yīng)全階觀測(cè)器、滑模觀測(cè)器與矢量控制在交流電機(jī)無(wú)速度傳感器技術(shù)中的應(yīng)用。

1 速度自適應(yīng)全階觀測(cè)器

對(duì)于異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩通常無(wú)法直接得到，一般是采用實(shí)時(shí)測(cè)量的電壓電流信息和電機(jī)參數(shù)，并根據(jù)電機(jī)數(shù)學(xué)模型構(gòu)造觀測(cè)器來(lái)對(duì)內(nèi)部的狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)。全階觀測(cè)器在較寬范圍內(nèi)都有很高的觀測(cè)精度[ 7 ]，通過(guò)引入速度自適應(yīng)環(huán)節(jié)后可以在觀測(cè)定子磁鏈的同時(shí)估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器控制。

在全階觀測(cè)器的設(shè)計(jì)中，反饋增益矩陣與自適應(yīng)率系數(shù)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性以及收斂速度[ 7 ]。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與收斂性，本文將介紹一種采用極點(diǎn)左移的方法來(lái)設(shè)計(jì)增益矩陣并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，最終得到一個(gè)常數(shù)增益矩陣。引入速度自適應(yīng)環(huán)節(jié)，可以利用李雅普諾夫函數(shù)推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速估計(jì)的自適應(yīng)率[ 7 ]，在實(shí)際應(yīng)用中為了保證估計(jì)轉(zhuǎn)速的收斂速度一般采用PI調(diào)節(jié)器來(lái)代替純積分環(huán)節(jié)。

2 滑模觀測(cè)器

在無(wú)速度傳感器永磁同步電機(jī)控制策略中，滑模觀測(cè)器被廣泛應(yīng)用，因?yàn)槠渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)以及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[ 8 ]?；Ｓ^測(cè)器的主要思想是通過(guò)選取滑模面與滑模增益來(lái)估計(jì)永磁同步電機(jī)中的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)正交鎖相環(huán)來(lái)提取出同步轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。由于逆變器非線性以及磁場(chǎng)諧波的存在，估計(jì)中的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)產(chǎn)生6k±1諧波，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子位置估計(jì)不準(zhǔn)，從而影響矢量控制中d、q軸的解耦。許多學(xué)者提出了改進(jìn)型方法通過(guò)慮除反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)中的諧波，來(lái)提高轉(zhuǎn)子位置信息的估計(jì)精度，如：自適應(yīng)陷波器、級(jí)聯(lián)式低通濾波器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。

3 矢量控制

目前，矢量控制被廣泛應(yīng)用在交流電機(jī)控制領(lǐng)域中，矢量控制為一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)分別為轉(zhuǎn)子磁鏈與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為定子電流控制環(huán)。矢量控制是通過(guò)把轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，然后把定子電流分解成d、q軸電流，最終采用PI調(diào)節(jié)器來(lái)分別控制轉(zhuǎn)子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩。這種解耦控制方法使矢量控制具有很好的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能，因此能夠滿足高性能交流電機(jī)控制領(lǐng)域的要求。

矢量控制中傳統(tǒng)線性PI調(diào)節(jié)器的電流內(nèi)環(huán)分為d、q軸兩個(gè)獨(dú)立的控制環(huán)，由于受到環(huán)路間存在交叉耦合項(xiàng)、控制器離散化處理時(shí)產(chǎn)生的誤差、數(shù)字控制系統(tǒng)延遲等因素的影響，調(diào)節(jié)器的控制效果會(huì)產(chǎn)生劣化。

因此有許多學(xué)者提出將交流電機(jī)控制系統(tǒng)中的d、q軸電流環(huán)當(dāng)作一個(gè)整體的方法，然后在離散域中建立交流電機(jī)的電流環(huán)數(shù)學(xué)模型，同時(shí)考慮數(shù)字控制系統(tǒng)的一拍延遲，在離散域中直接設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器[ 9 ]，最終基于自動(dòng)控制原理，推導(dǎo)出電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的最優(yōu)值。采用最優(yōu)PI設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，d、q軸電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)快且不存在超調(diào)量。這種交流電機(jī)電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法能夠很好的與上面提高的無(wú)速度傳感器技術(shù)相結(jié)合，從而進(jìn)一步推廣了交流電機(jī)在工業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)的研究了交流電機(jī)無(wú)速度傳感器控制策略，主要介紹了速度自適應(yīng)全階觀測(cè)器與滑模觀測(cè)器，這兩種控制方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、觀測(cè)精度高等特點(diǎn)，使其在交流電機(jī)控制領(lǐng)域中被廣泛使用。本文也介紹了矢量控制在交流電機(jī)控制中的應(yīng)用。首先介紹了傳統(tǒng)線性PI調(diào)節(jié)器并不能完全消除環(huán)路之間的交叉耦合項(xiàng)以及離散化所帶來(lái)的誤差，然后介紹了一種直接在離散域中設(shè)計(jì)的復(fù)矢量PI調(diào)節(jié)器。這種方法很好的解決了環(huán)路之間的耦合以及離散誤差等問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)高性能交流電機(jī)無(wú)速度傳感器運(yùn)行提供了理論基礎(chǔ)。本文的研究結(jié)果為高性能交流電機(jī)無(wú)速度傳感器運(yùn)行提供了新型解決方案，具有較大的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：

吳宏宇（1982-），男，漢族，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線與電機(jī)控制；

吳興宇（1990-），女，漢族，碩士研究生，研究方向數(shù)據(jù)處理與高性能控制；

史運(yùn)濤（1975-），男，漢族，博士，教授，研究方向?yàn)榛祀s系統(tǒng)優(yōu)化控制。