異步電機的磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識研究

賀虎成，行俊鋒，張玉峰，祁玄玄

(1.西安科技大學，西安 710054；2.合肥工業(yè)大學，宣城 242000)

異步電機的磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識研究

賀虎成1，行俊鋒1，張玉峰1，祁玄玄2

(1.西安科技大學，西安 710054；2.合肥工業(yè)大學，宣城 242000)

準確的辨識電機轉(zhuǎn)速，可進一步提高異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的性能。通過分析電壓模型和電流模型獲得了磁鏈的混合觀測模型，利用該模型估算出轉(zhuǎn)子磁鏈和磁場定向角，并進一步辨識電機轉(zhuǎn)速。搭建了以TMS320F28335為控制核心的硬件平臺，對磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識進行了實驗驗證，表明該辨識算法可行。

異步電機；轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型；轉(zhuǎn)速辨識；無速度傳感器；矢量控制

0 引 言

目前，電機速度反饋量普遍采用傳感器進行測量。因此，必須在電機軸上安裝位置傳感元件或者光電數(shù)字脈沖編碼器等儀器。但這會帶來許多問題，比如系統(tǒng)維護困難、魯棒性降低、不適用于惡劣場所等等。因此近些年來無速度傳感器的高性能異步電機交流調(diào)速系統(tǒng)越來越受到人們的普遍關(guān)注。

磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識直接決定無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的性能。常見的磁鏈觀測模型有電壓模型和電流模型。電流模型易受電機參數(shù)和轉(zhuǎn)速的影響，在高速時估算不準；而電壓模型涉及純積分環(huán)節(jié)，所以存在累計誤差和漂移問題，在低速時估算不準。轉(zhuǎn)速辨識的控制方式主要有定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補償法、感應電動勢計算法、模型參考自適應MRAS法和轉(zhuǎn)子磁鏈角速度計算法[1-3]。本文采用電壓模型和電流模型混合的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型，選取合適的PI參數(shù)，充分發(fā)揮了電壓模型和電流模型的優(yōu)點，利用轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型的輸出，作為速度辨識的輸入，辨識電機轉(zhuǎn)速，并在轉(zhuǎn)速辨識實驗平臺進行了驗證。

1 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型分析

轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型是實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和勵磁解耦的重要模型, 它所計算出的磁場定向角和轉(zhuǎn)子磁鏈是實現(xiàn)解耦和轉(zhuǎn)速辨識的重要參數(shù)。通過電壓模型和電流模型可推導出混合磁鏈觀測模型，這樣就可以使磁鏈觀測模型根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速應用不同的模型，在全速范圍內(nèi)都有一個較準確的估算值[4]。轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型方程如下:

電流模型法:

(1)

(2)

在兩相靜止坐標系中，由電流模型中轉(zhuǎn)子磁鏈方程可得定子磁鏈的方程：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Kp為比例增益，Ki為積分增益。根據(jù)式(5)、式(6)得到的定子磁鏈，再通過對式(3)、式(4)進行整理，可得基于電壓模型下的轉(zhuǎn)子磁鏈方程式：

(9)

(10)

由此，便可以求得轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和磁場定向角的計算公式分別：

(11)

(12)

根據(jù)以上算法可得轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型框圖如圖1所示。

圖1 磁鏈估算系統(tǒng)框圖

2 轉(zhuǎn)速辨識方法

無速度傳感器就是去掉電機上原本裝有的速度傳感器，不經(jīng)過傳感器反饋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而是通過間接法獲得電機運行的實際轉(zhuǎn)速[5]。無速度傳感器應用的前提是必須要能準確地辨識轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速，本文采用的速度估算方法是基于反電動勢的速度估算法，即利用基于反電動勢的轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型中算出的磁場定向角 ，進一步算出同步角速度 ，然后減去轉(zhuǎn)差角速度 ，最終得到轉(zhuǎn)子實際角速度[6]。這種算法結(jié)構(gòu)簡單，受電機參數(shù)影響較小。

通過對磁場定向角方程式(12)求導，可以得出轉(zhuǎn)子磁鏈角速度(同步角速度)：

(13)

將式(9)、式(10)整理后帶入式(13)有：

(14)

轉(zhuǎn)子角速度ωr能被表示：

(15)

為了防止計算數(shù)值較大，對式(15)進行單位化，兩邊同時除以基本的電角速度ωb=2πfb，fb為基本頻率，可得：

(16)

(17)

式(17)中某些數(shù)據(jù)過高或過低會影響模型的穩(wěn)定性，而離散化可以減弱極端值的影響，因此，對式(17)離散化，整理得：

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

式中：ωr表示電機的實際角速度。

3 實驗研究

3.1 實驗裝置

無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。主回路采用電壓源型交-直-交變頻電路，由三相二極管整流和三相橋式逆變兩部分組成；控制電路是以TMS320F28335為核心的控制板，主要負責算法實現(xiàn)，母線電壓檢測電路提供欠壓、過壓保護等，光耦驅(qū)動電路將強電信號和弱電信號隔離開，起到保護電路的作用；電流檢測電路將逆變器輸出的三相電流經(jīng)霍爾傳感器采集后，調(diào)理成適合微處理器采集的電壓信號，上位機和面板能實現(xiàn)人機交互和遠程通信功能。

圖2 矢量控制系統(tǒng)硬件框圖

電機的額定參數(shù)為：Pn=11kW，Un=380V，In=24.5A，fn=50Hz，Nn=905r/min，p=6，Rs=0.476Ω，Rr=0.587Ω，Ls=70.98mH，Lr=123.68mH。

3.2 實驗結(jié)果分析

利用所搭建的矢量變頻控制硬件平臺，采用上述磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識方法進行實驗驗證。

如圖3所示為給定轉(zhuǎn)速為300r/min，在電機運行階段改變電機轉(zhuǎn)向，從圖中可以看出，辨識轉(zhuǎn)速能很好的跟蹤實測轉(zhuǎn)速，可準確辨識電機轉(zhuǎn)速。圖4為轉(zhuǎn)子磁鏈波形，從圖中可以看出磁鏈幅值波動較小。圖5為磁場定向角的波形。圖6為勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流波形，在電機運行階段突加16N·m的負載，帶負載運行一段時間后卸掉負載，由圖可知，突加負載時轉(zhuǎn)矩電流增大，而勵磁電流不變；卸掉負載后，轉(zhuǎn)矩電流立即減小，返回空載時刻的電流值，而勵磁電流波形仍然保持恒定，該波形證明，無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)實現(xiàn)了勵磁和轉(zhuǎn)矩的完全解耦。

圖3 轉(zhuǎn)速波形

圖4 轉(zhuǎn)子磁鏈波形

圖5 磁場定向角

圖6 勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流波形

4 結(jié) 語

本文通過異步電機的磁鏈電壓模型和電流模型，獲得了混合磁鏈觀測模型，并利用模型輸出準確辨識了電機轉(zhuǎn)速。實驗結(jié)果表明，該方法具有較好的準確性和實用性，可以應用于無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和勵磁的完全解耦。

[1] 李華德，白晶，李志民,等.交流調(diào)速控制系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2] 李旭春,張鵬,趙非.改進EKF的異步電機無速度傳感器矢量控制[J].電機與控制學報，2013，17(9):24-29.

[3] 李崇堅.交流電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的探討.電力電子,2004(1):20-23.

[4] 楊德剛.三相異步電動機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的研究[D].廣州：華南理工大學，2014.

[5] 周亞麗，李永東，鄭澤東.基于MRAS的感應電機無速度傳感器矢量控制[J].電氣傳動，2009，39(4):3-8.

[6]TRZYNADLOWSKIAM.Thefieldorientationprincipleincon-trolofinductionmotors[M].Berlin:Spring,2009.

ResearchonFluxObservationandSpeedIdentificationofAsynchronousMotor

HE Hu-cheng1，XING Jun-feng1，ZHANG Yu-feng1，QI Xuan-xuan2

(1.Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi'an710054，China;2.HefeiUniversityofTechnology,Xuancheng242000,China)

Theperformanceofspeedsensorlessvectorcontrolsystemofasynchronousmotorcanbefurtherimprovedbyaccuratespeedidentificationofmotorspeed.Byanalyzingthevoltagemodelandcurrentmodel,themixedobservationmodeloffluxlinkagewasobtained.Therotorfluxandmagneticfieldorientationangleareestimatedbythemodel,whichfurtheridentifiesmotorspeed.TheexperimentiscarriedouttoverifythefluxobservationandspeedidentificationonthehardwareplatformbasedonTMS320F28335,whichshowsthattheidentificationalgorithmisfeasible.

asynchronousmotor;rotorfluxobservationmodel;speedidentification;speed-sensorless;vectorcontrol

2016-06-27

國家自然科學基金項目(51307137)；陜西省教育廳科研計劃項目(15JK1459)

TM

A

1004-7018(2017)01-0070-03

賀虎成(1979-)，男，博士，副教授，研究方向為電力電子技術(shù)、智能自動化裝置和運動控制技術(shù)等。