異步電機無速度傳感器矢量控制四種轉(zhuǎn)速估算方案低速帶載性能對比研究

1、202異步電機無速度傳感器矢量控制四種轉(zhuǎn)速估算方案低速帶載性能對比研究異步電機無速度傳感器矢量控制四種轉(zhuǎn)速估算方案低速帶載性能對比研究尹忠剛，楊立周，鐘彥儒 (西安理工大學(xué)電氣工程系，西安710048)摘要：本文對異步電機無速度傳感器矢量控制電壓模型轉(zhuǎn)速估算方案、電流模型轉(zhuǎn)速估算方案、轉(zhuǎn)矩電流誤差轉(zhuǎn)速估算方案及模 型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算方案進行了研究，對四種轉(zhuǎn)速估算方案的低速性能進行了實驗，并從起動轉(zhuǎn)矩、通用性及算法復(fù)雜度3個方面對 四種轉(zhuǎn)速估算方案進行了綜合比較與評價。關(guān)鍵詞：無速度傳感器；轉(zhuǎn)速估算；電壓模型；模型參考自適應(yīng)1引言器矢量控制電壓模型轉(zhuǎn)速估算方案、電流模型轉(zhuǎn)速估算方案、轉(zhuǎn)矩 由于

2、不需要價格昂貴、不易維護的速度傳感器，無速度傳感器電流誤差轉(zhuǎn)速估算方案及模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算方案的原理進矢量控制系統(tǒng)以其獨特的優(yōu)勢，吸引了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注i-：zl。行分析。 經(jīng)過二十多年的發(fā)展，感應(yīng)電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的研21基于電壓模型的轉(zhuǎn)速估算 究取得了令人矚目的成果，在中高速區(qū)域已經(jīng)得到了應(yīng)用，但是在 根據(jù)感應(yīng)電動勢與磁鏈變換率的關(guān)系，取電動勢的積分就可 某些如礦井提升機、大型的拉絲機、軋機等需要低速大轉(zhuǎn)矩的工業(yè)以得到磁鏈，因此，稱為電壓模型。 應(yīng)用場合，控制性能還很難滿足人們的要求，同時新生產(chǎn)技術(shù)與新 兩相靜止坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子磁鏈模型由式(2)所示，由式(2)可以 型加工原

3、料的出現(xiàn)，也對無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)低速性能提得出基于電壓模型估算轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 出了更高的要求?？梢钥闯?，電壓模型法轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器實質(zhì)是一個純積分器，針對上述需求，本文對異步電機無速度傳感器矢量控制電壓 優(yōu)點是：a)算法簡單b)算法不含轉(zhuǎn)子電阻，因此受電機參數(shù)變化 模型轉(zhuǎn)速估算方案、電流模型轉(zhuǎn)速估算方案、轉(zhuǎn)矩電流誤差轉(zhuǎn)速估 影響?。籧)不需要轉(zhuǎn)速信息，對于無速度傳感器頗具吸引力。但是， 算方案及模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算方案進行了深入研究，并對四 在低速時，純積分環(huán)節(jié)、定子電阻壓降等問題使得電壓模型的使用 種轉(zhuǎn)速估算方案的低速性能實驗結(jié)果進行了對比研究。存在一定的局限。2異步電機無

4、速度傳感器矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速估算方案 =PL m -Rsi)at-ozia 轉(zhuǎn)子磁通的相角能和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)差之間的關(guān)系為：(2)仍=f匆出=f(q帆)出(1) = 一k一k P。L “撲” 蠔b 一墨“),tt-oLsi,盧器札F圖2基于電壓模型估算轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)框圖圖l無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖 由式(1)可以看出，如果能觀測出轉(zhuǎn)子磁通角仍，并計算出轉(zhuǎn)差q。，則可以估算出轉(zhuǎn)速。 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。速度估算是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，速度估算的準(zhǔn)確性直接影響到調(diào)速系統(tǒng) 的動、靜態(tài)特性，特別是低速性能。以下將對異步電機無速度傳感圖3基于改進電壓模型估算轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)框圖作者簡介：尹

5、忠剛男1982年生，講師。博士，主要研究方向為高性能交流調(diào)速系統(tǒng)與電力電子變換器數(shù)字化控制。針對電壓模型的純積分環(huán)節(jié)引起的誤差，用一階低通濾波器楊立周男，1985年生碩士研究生，主要研究方向為高性能變代替純積分環(huán)節(jié)。基于改進電壓模型估算轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)框圖如圖3頻調(diào)速系統(tǒng)控制策略。所示。鐘彥儒男，1950年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為交流傳動與新型電力電子裝置。22基于電流模型的轉(zhuǎn)速估算中國電源學(xué)會第十九躬學(xué)術(shù)年會論文集 203在日相靜t±標(biāo)下輸出自與轉(zhuǎn)子破鏈的莢系如式(3)所MRAS是一種gf穩(wěn)定性設(shè)計參數(shù)辨識方法，揮T參數(shù)辨識漸進收斂。其±要目想是將吉未知參數(shù)方程作為

6、參考 模g，而將古有待辯識參敬方#作為月模g，利月目十模d具卜2赤“r哨n，)有相同物理意女白勺輸iB囂的*差構(gòu)成合適白勺自適應(yīng)律來實時櫥節(jié)日調(diào)模女待辨識的參數(shù)最終a到控制對象的輸出跟蹤參考模gh=南(+q)目。月幅靜m±標(biāo)±白勺轉(zhuǎn)子m鏈m壓橫女日H袁i*式(2)。其中，為漏磷系數(shù)，口=l一(ku)。兩相靜止坐標(biāo)上的轉(zhuǎn)子碰鏈電流楗女日m表示*式(3)。其中，為轉(zhuǎn)時目常數(shù)，C=，耳。 從t式日u看出，電模女和電流模g具有相同物理意義的 棺置轉(zhuǎn)fm鏈，*且自甩匿女目轉(zhuǎn)速無莢目此將自模作為 參考模g，將含有電機轉(zhuǎn)速的電流摸作為日月橫，利用月個模目4基f電流模d估算轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)框目

7、i現(xiàn)轉(zhuǎn)子碰鏈誤差桕戚臺適的自適應(yīng)辜m謝節(jié)日月橫女參 基f自流囂g估算轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)框圖如目3所幣。效當(dāng)誤差趨于零時估算轉(zhuǎn)建f實R轉(zhuǎn)4原理框圖如圖6所 從理論上說，電流模型可“算出零速時的轉(zhuǎn)于盛通目此對低 示。速暖具吸力。但自南嚷臼奇轉(zhuǎn)子時目常數(shù)該參數(shù)具有a著 =ji五iP 的時變特性，當(dāng)電機長時間低擅運行時，諼參數(shù)會大范圍變化，嚴(yán)。I廣矗。 重影響磁鏈觀測精度。由t田日“看電流摸g對鞋鞋盼m測蓓要轉(zhuǎn)速信息，過是電淞畦在無速度傳感器矢量控翩系統(tǒng)中最大的缺點。因為，在某些工況下或者系統(tǒng)的固有振蕩由f系統(tǒng)。_J一!壁!_固有振藹，電機電流會發(fā)±振蕩+目此估算的轉(zhuǎn)速必然舍受到目有一亙面ip一振蔫

8、的影響再用過十轉(zhuǎn)速去觀測磁鏈，會形成惡性循環(huán)加劇系目6基f MBAS白勺4估算原理框月統(tǒng)的振蕩。23基于轉(zhuǎn)矩電漶誤*的轉(zhuǎn)镕估算3實驗對比研究對f*環(huán)轉(zhuǎn)建f捧系統(tǒng)自機的參數(shù)發(fā)±變化時，估算轉(zhuǎn)速 在m英飛受XEl64FM為內(nèi)核的產(chǎn)8平臺±對異步電機元速 的準(zhǔn)確度必然會受到髟響，而采用團環(huán)控幫可“有效抑锎這種影 度傳感器矢量控制自壓模2轉(zhuǎn)建估算方案、電流模轉(zhuǎn)速估算方 響。H閉環(huán)#制轉(zhuǎn)速估算基$思想基于某些量誤通 案、轉(zhuǎn)矩電流誤差轉(zhuǎn)速估算方案廈模女垂考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算方案過n調(diào)節(jié)器獲得轉(zhuǎn)速信息。進行T實§究。 煞#方法爭n調(diào)節(jié)器的輔人量為轉(zhuǎn)電流給定值與實R值3'基f

9、電壓模型轉(zhuǎn)速怙算實驗結(jié)$鞋分析之差，輸出量為轉(zhuǎn)建辨識值。菇若系式如下式：田8給出T系統(tǒng)空載行時+給定轉(zhuǎn)速從+15 rpra，+75rpm 到一75npm到一ISrpm變化時的電流波彤，“看出電機E轉(zhuǎn)垃鼠=(+粵)畦一)(4霉切換時，電流無相位突變自振藹，日H實現(xiàn)z匣轉(zhuǎn)的平*換。圈7給出了§載運行時蛤定轉(zhuǎn)速從+15刪到+75rpm變化時轉(zhuǎn)建的響應(yīng)鼢。H目中日“看ii，估算轉(zhuǎn)镕蒯E好的跟錯定轉(zhuǎn)速。訂心fj+njl獺蛾嶺曦?o二汪jjjrj、一2。 。，?！?一v田7+lSrpmN+75rpm變圉8“5mm帥mm到45口m目L化時轉(zhuǎn)建波形15rpm變佑H輸出電巍馬粕EaHB圈5基f轉(zhuǎn)矩電流

10、誤差估算轉(zhuǎn)速的無速度傳感節(jié)“一一器*量控制系統(tǒng)框圈圈5給出了基于轉(zhuǎn)矩電流誤差的轉(zhuǎn)建估算方案系統(tǒng)框圖可喇淵扒mw“看出這種轉(zhuǎn)速估算方寮結(jié)構(gòu)簡單。在轉(zhuǎn)矩自勵碰完全解輯情的運動學(xué)方程為基轉(zhuǎn)速的動態(tài)過程依齄f電氣傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)一loudly況下，穩(wěn)態(tài)時目“獲得無差的轉(zhuǎn)速信息。但是詼方案“感應(yīng)電機 4動慣量#負(fù)載目n參數(shù)目具體教值T像一般的H調(diào)節(jié)器郡圖9Srpm運行時，突加150的額定負(fù)載響應(yīng)E形樣窖易設(shè)計，R能參考轉(zhuǎn)動慣量的劃崍試凄在調(diào)試中§后確圈9給出了15rpm空載運行時，突加150額定負(fù)載時響應(yīng)波 定。形，可H看出，突加負(fù)載后，轉(zhuǎn)電流迅4t井同時輸出電流變24基f模型參考自適應(yīng)的轉(zhuǎn)矗怙算

11、太且報快達到穩(wěn)態(tài)。由“上的分析可知，基于改進電壓摸型轉(zhuǎn)204異步電機無速度傳感器矢量控制四種轉(zhuǎn)速估算方寨|氐速帶載性能對比研究建估算方案的無建度傳瞎器*量控制系統(tǒng)能較快的響應(yīng)給定轉(zhuǎn) “j。，。V?！埃?”載動裹響應(yīng)良紙腳“”“雕達到“鞭定8。y輔黼IIr*" 4-一“-3,2基于電流幢型轉(zhuǎn)遘估算實驗結(jié)暈豆分析vL ”一。J 7 “ pu¨ 一岫機圖14 15rpm運行時，突加月15 9rDro行時，突加。 瀨蹴z”。” 粼扮m 180的額定負(fù)載響應(yīng)波形 180的額定負(fù)載響應(yīng)波形。m一 ，m一、用10】5Ppm運行時，突加固11 9聊n運行時，突加】00 150額定負(fù)載響應(yīng)波

12、形的額定負(fù)載響應(yīng)渡形固lO蛤mT蛤定轉(zhuǎn)速15rpmi載行時，突加1加”額定負(fù)載時響應(yīng)渡形可阱看出突加負(fù)骺，轉(zhuǎn)矩電流迅速上升，同時輸出電流變大。H推決達到穩(wěn)志。由“±分析日知，基電流模型轉(zhuǎn)自懈的镕；i盞鏟“”“1髓度f感器矢量控制系境能較陜的響應(yīng)給定轉(zhuǎn)速豹變化，加載；暗i*HgHI日i響應(yīng)嘶，15rpm(n5Hz”達到1啪自額定。自#自女t日*#f自q*自§#自*自自#目n，#m圖11給出T蛤定轉(zhuǎn)速帥時船載起動和穩(wěn)態(tài)運行時雍幀載b自Io#口§Pl* 口g#*口*R#自*的被形日“看出，基于電流漠型轉(zhuǎn)速估算的盂建蠹嗡喀器矢量控制，J、ttdm十目自自系統(tǒng)加藏動態(tài)響應(yīng)輔

13、*口m(03Hz)能達到lOD的額定糍。33基于轉(zhuǎn)矩電流誤差轉(zhuǎn)速估算實驗結(jié)果爰分析母12培出了系統(tǒng)15rpm空載運行耐，蜘1撕糍定負(fù)載根據(jù)襲l中的咎項性能評價指標(biāo)綜臺轅四種轉(zhuǎn)建估算方時的電流和轉(zhuǎn)矩瘟形+由圖日“看出，突加負(fù)載后，轉(zhuǎn)矩電流迅速 賽可“看出基fMP,AS的轉(zhuǎn)速佑算方案具有最好的投低建性能。 上升同時輸出電流變大且很快達到穩(wěn)志。由“上的分析可知基 基T改進電壓睦型轉(zhuǎn)速估算方案的通用性最好，但是在橙低速區(qū) 于轉(zhuǎn)矩電辯涅差轉(zhuǎn)建估算豹無逮度傳感器矢量控制系統(tǒng)能快速的 域時PI參數(shù)及開美頻卑比較敏感極低建性能較差；基f電藏攥 響應(yīng)轉(zhuǎn)建給定的變化加戴動態(tài)響應(yīng)良好，15口m(n5m)能達到 轉(zhuǎn)蘸

14、估算方寨的概低速性能和穩(wěn)定性略位于改進電壓模型方160的額定轉(zhuǎn)矩，”p 1V“ 一 塞，但是電機長時問低速運行時轉(zhuǎn)子電阻的變換范阿較大，且基于電流模型的轉(zhuǎn)速估算方寨在負(fù)載尢范睛變化自虹況下不粒單獨使用基f轉(zhuǎn)矩電流謂差舶轉(zhuǎn)速f自算方案極低建性能優(yōu)于電流模型方一警i橢刪晰。一一”“刪W耖一一： 案，授抵建穩(wěn)定性較好。但居轉(zhuǎn)建f占算用H參數(shù)的選取與系統(tǒng)晰動慣量有關(guān)，R髂茁確定的I況下通過誦試?。换贛Rs的轉(zhuǎn)建估P“-一。pv一一、算方案腿低蓮性能憮于其它=種方案，屬f閉環(huán)轉(zhuǎn)速估算藤，對電機參數(shù)變化的敏臻暾豫但黜比較夏雜。圖12 15唧運行時突加圖13鯽m運行時。突加120在目前國內(nèi)外的變頻器產(chǎn)品中

15、。電壓橫法使用較多但是隨160的額定負(fù)載響應(yīng)渡形的額定負(fù)載響應(yīng)渡形著研究的T斷耀基f轉(zhuǎn)矩電流誤差的轉(zhuǎn)速估算方案和基于圖13蛤出T靛轉(zhuǎn)速9胛時加載起動自穩(wěn)志運行時憲加盎載MRAS的轉(zhuǎn)蓮估算方案的應(yīng)用也會越來越多。的渡形可以看出基f轉(zhuǎn)矩電流謾差轉(zhuǎn)速估算的無速度1專感喉量控制系統(tǒng)，加煢動卷響應(yīng)船9p|ll(Hz)能達到12慚的額定矩。 4緒論34基于模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算鰣播結(jié)果殛分析本文對異步電機無建度傳盛器矢量控制電壓模!轉(zhuǎn)速估 圖14蛤出了系統(tǒng)15mm空載運行時，亮加180的額定負(fù)載算方案、電流模型轉(zhuǎn)蓮估算方案、轉(zhuǎn)矩電梳誤差轉(zhuǎn)建估算方案 時電流和轉(zhuǎn)螺渡形。由圖可“看出，突加負(fù)載后，轉(zhuǎn)矩電流m速

16、t爰橫型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算方案進行T深研究，對日種轉(zhuǎn)速 升，同時輸出電流變太，且很快達到穩(wěn)態(tài)。由以上的分析可知，基干估算方案的低速性能宴驗結(jié)果進行了對比研究，井從起動轉(zhuǎn) 橫!參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)建估算的無速度停感器矢量控制系統(tǒng)能快速響矩、通用性廈算法復(fù)雜度3十方面對口種轉(zhuǎn)速估算方案進行T應(yīng)蛤定轉(zhuǎn)速的變化，加襲動態(tài)響應(yīng)良好，15rpm(O 5Hz)能達到綜臺比較與評價。 180的額定轉(zhuǎn)矩。閣15給出了9rpm(03Hz時加載起動和穩(wěn)卷i行時突加負(fù)參考文獻載的潑形，可u看出，基f模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估算的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，加蔻動態(tài)響應(yīng)矗斟9rpm(03)能迭到l n勘卅y M Gadom，I岫nI¨GI John W FinohMFAS軸n$odcVtor C,o呻d d¨Induc6m Mm"Using New的額定轉(zhuǎn)矩。3 5日種轉(zhuǎn)魂估算方案技術(shù)性健對比與譚價sljd·nrMde拍d F岫一