基于改進(jìn)定子磁鏈觀測(cè)器的MRAS轉(zhuǎn)速估算方法

蔡文皓，單成龍，范中洋

(西安科技大學(xué)，西安 710054)

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基于改進(jìn)定子磁鏈觀測(cè)器的MRAS轉(zhuǎn)速估算方法

蔡文皓，單成龍，范中洋

(西安科技大學(xué)，西安 710054)

提出一種在定子坐標(biāo)系下以定子側(cè)變量為狀態(tài)變量的轉(zhuǎn)速估算方法，減少系統(tǒng)的復(fù)雜性，完全不受轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)影響。在此基礎(chǔ)上將改進(jìn)低通濾波器作為定子磁鏈觀測(cè)器，大大減小系統(tǒng)的直流偏置誤差和初始值誤差。通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法具有較強(qiáng)的魯棒性并能很好地估算轉(zhuǎn)速，提高磁鏈觀測(cè)精度。

異步電機(jī)；無(wú)速度傳感器；直接轉(zhuǎn)矩控制；低通濾波器；模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)

0 引 言

在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，定子磁鏈的觀測(cè)方法通常采用純積分器即基于u-i模型的觀測(cè)方法,當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于低速域時(shí)模型中的純積分環(huán)節(jié)本身所固有的直流偏置誤差和初始值誤差將嚴(yán)重影響定子磁鏈的觀測(cè)精度，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大進(jìn)而影響電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]中以一階低通濾波器來(lái)代替純積分器，通過(guò)選擇合適的截止頻率來(lái)抑制積分環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的直流偏置誤差，然而采用低通濾波器又將會(huì)產(chǎn)生新的定子磁鏈幅值和相位誤差。在此基礎(chǔ)上引入閉環(huán)幅值補(bǔ)償環(huán)節(jié)來(lái)消除直流偏置誤差，提高定子磁鏈的觀測(cè)精度。

在高性能異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，速度反饋環(huán)節(jié)往往是必不可少的，但高精度、高分辨率的編碼器不僅價(jià)格昂貴，而且還受環(huán)境、溫度等因素的影響，故越來(lái)越多的學(xué)者投入到無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究中。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多轉(zhuǎn)速估算方法，其中應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)屬模型參考自適應(yīng)法，該方法具有模型簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)中。在傳統(tǒng)模型參考自適應(yīng)方法利用轉(zhuǎn)子側(cè)變量估算轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，提出一種完全基于定子側(cè)變量的MRAS轉(zhuǎn)速估算方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析和計(jì)算異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，完全不需要計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈，即可估算轉(zhuǎn)速，并且在低速下也具有良好的性能。

1 改進(jìn)低通濾波器的定子磁鏈觀測(cè)器

兩相靜止坐標(biāo)系下，由異步電機(jī)的基本方程可得定子反電動(dòng)勢(shì)方程[2]：

(1)

由式(1)可得定子磁鏈在αβ坐標(biāo)系下的分量：

(2)

為了解決純積分器帶來(lái)的直流偏置和初始值問(wèn)題采用一階低通濾波器帶替純積分器[3]。

(3)

式(3)在一定程度上減少了由純積分器帶來(lái)的直流偏置誤差。然而，當(dāng)?shù)屯V波器的截止頻率ωc小于或接近于定子頻率時(shí)，將造成新的幅值和相位誤差。因此在低通濾波器的基礎(chǔ)上加入閉環(huán)幅值補(bǔ)償環(huán)節(jié)，可以很好地補(bǔ)償?shù)屯V波器產(chǎn)生的幅值和相位誤差。改進(jìn)定子磁鏈觀測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 改進(jìn)定子磁鏈觀測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

圖1中，定子磁鏈ψsα，ψsβ經(jīng)低通濾波器輸出后，再利用極坐標(biāo)變換將幅值和相位進(jìn)行分離，幅值經(jīng)過(guò)限幅器L，再進(jìn)入極坐標(biāo)反變換構(gòu)成閉環(huán)幅值反饋，這樣就形成了一種帶幅值補(bǔ)償?shù)亩ㄗ哟沛溣^測(cè)器。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，保持定子磁鏈幅值恒定可使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，因此限幅器的閾值L為給定磁鏈值。若限幅器輸入磁鏈幅值未超過(guò)限幅器閾值，則限幅器輸出磁鏈為期望的純積分效果，若輸入磁鏈幅值超過(guò)限幅器閾值，則輸出磁鏈為限幅器閾值。定子磁鏈相位經(jīng)過(guò)兩次坐標(biāo)變換未發(fā)生任何變化，避免了因積分飽和而導(dǎo)致正弦磁鏈信號(hào)發(fā)生畸變。

2 基于定子側(cè)的MRAS轉(zhuǎn)速估算方法

模型參考自適應(yīng)理論廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域，是目前比較成熟的理論。模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)有三種參數(shù)辨識(shí)結(jié)構(gòu)模型:串聯(lián)模型、并聯(lián)模型和串并聯(lián)模型，輸出并聯(lián)型的模型參考自適應(yīng)方法在電機(jī)參數(shù)辨識(shí)方面應(yīng)用最為廣泛[4]。傳統(tǒng)MRAS轉(zhuǎn)速估算方法中，參考模型為不含轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子磁鏈電壓方程，可調(diào)模型為含有待辨識(shí)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子磁鏈電流方程，且兩模型須具有相同物理意義的輸入量，以轉(zhuǎn)子磁鏈作為比較輸出量構(gòu)成廣義誤差，采用合適的自適應(yīng)率來(lái)估算轉(zhuǎn)速[5]。傳統(tǒng)MRAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)MRAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于傳統(tǒng)MRAS轉(zhuǎn)速估算方法是在轉(zhuǎn)子側(cè)估算轉(zhuǎn)速，完全摒棄了直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點(diǎn)，增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，本文提出完全利用定子側(cè)的變量來(lái)估算轉(zhuǎn)速，使用改進(jìn)定子磁鏈觀測(cè)器構(gòu)成無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。在兩相靜止坐標(biāo)系下，異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁鏈和電壓矢量方程為[6]：

(4)

由式(4)可得：

(5)

(6)

由式(4)與式(6)可得：

(7)

將定子磁鏈電壓表達(dá)式：

(8)

帶入式(7)得：

(9)

式(8)和式(9)構(gòu)成了基于定子側(cè)的MRAS轉(zhuǎn)速估算方法的電機(jī)狀態(tài)方程，根據(jù)Popov超穩(wěn)定性理論可推算出基于定子側(cè)的MRAS轉(zhuǎn)速估算公式：

(10)

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述方案的可行性，在MATLAB/Simulink中構(gòu)建基于定子側(cè)的MRAS轉(zhuǎn)速估算方法模型，并進(jìn)行仿真[5]。選用異步電機(jī)額定參數(shù)為：PN=15kW，UN=400V，fN=50Hz，Rs=0.2147Ω，Rr=0.220 5 Ω，Ls=Lr=0.065 2 H，Lm=0.064 2 H，p=2。

圖3 異步電機(jī)無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)給定磁鏈1Wb，空載啟動(dòng)，1.8 s時(shí)轉(zhuǎn)速由750 r/min突變?yōu)?0 r/min，2.8 s時(shí)突加10 N·m負(fù)載，仿真波形如圖4所示。

(a)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速(b)定子電流

(c)電磁轉(zhuǎn)矩(d)定子磁鏈幅值

圖4 電機(jī)變負(fù)載、變轉(zhuǎn)速工況

由圖4可以看出，電機(jī)運(yùn)行在高速和低速時(shí)，電機(jī)均能快速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，且估算轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間誤差較小，系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)仍能克服擾動(dòng)，快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而驗(yàn)證了上述方案的可行性。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證該轉(zhuǎn)速估算方法的可行性，選取型號(hào)為T(mén)MS320F28335的DSP作為整個(gè)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制器，針對(duì)上述控制方案搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證該控制系統(tǒng)是否能確保電機(jī)按預(yù)期給定轉(zhuǎn)速可靠運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)波形的測(cè)量使用示波器結(jié)合上位機(jī)觀測(cè)的方法，負(fù)載使用了一臺(tái)和異步電機(jī)同軸連接的直流電機(jī)和一臺(tái)電子負(fù)載。

圖5為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速的波形，是通過(guò)上位機(jī)所截得的局部波形圖，圖6為轉(zhuǎn)速為750 r/min時(shí)定子電流波形。由圖5電機(jī)實(shí)驗(yàn)波形與圖4(a)仿真波形比較可以看出，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況與仿真情況基本相同。由于仿真是在理想情況下進(jìn)行的，沒(méi)有考慮硬件電路本身所固有的誤差，進(jìn)而可知電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的波形比仿真波形的脈動(dòng)稍微大一些，而且轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)波形響應(yīng)時(shí)間相比仿真波形的響應(yīng)時(shí)間而言，存在一定差異。

圖5 電機(jī)運(yùn)行中實(shí)際轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速

圖6 轉(zhuǎn)速為750 r/min時(shí)電流波形(截圖)

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了基于改進(jìn)定子磁鏈觀測(cè)器的MRAS轉(zhuǎn)速估算方法不僅提高了定子磁鏈的觀測(cè)精度和轉(zhuǎn)速估算精度，而且也減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度和誤差，證明了上述方案的可行性。

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A MRAS Speed Estimation Method Based on the Improved Stator Flux Observer

CAIWen-hao,SHANCheng-long，F(xiàn)ANZhong-yang

(Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China)

A rotator speed estimation method which used the stator's variables as state variables in stator coordinates was addressed. It reduced the complexity of system design and was totally independent of the rotator parameters. The improved LPF was utilized as stator flux observer. As a result, the DC bias error and initial values' error were greatly reduced. It was verified by the simulation system that the method had strong robustness, good speed estimation and high flux observe accuracy.

asynchronous motor; speed sensorless; direct torque control; low-pass filter; model reference adaptive system (MRAS)

2016-01-29

TM343

A

1004-7018(2016)07-0063-03

蔡文皓(1957-)，男，教授，研究方向?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)、電力變換及可再生能源發(fā)電技術(shù)等。