臺達變頻器無傳感器矢量控制技術(shù)

1、臺達變頻器無傳感器矢量控制技術(shù)摘要：本文主要闡述臺達變頻器的感應電動機無傳感器矢量控制技術(shù)，此控制技術(shù)展現(xiàn)出在感應電動機矢量控制上的突破，是未來矢量控制的主要方法之一。Abstract: In this paper, a control technique based on FOC Sensorless for induction motor inside Delta inverter is presented. This control technique can display the breakthrough on the vector control of induction moto

2、r, which is one of the main methods of future vector control.1、 引言基于CLARK-PARK變換的磁場定向矢量控制（FOC）已經(jīng)在變頻器調(diào)速領(lǐng)域得到了廣泛的應用，其可實現(xiàn)感應馬達的解耦化控制，使得轉(zhuǎn)矩輸出能力最大化，是工業(yè)生產(chǎn)中高端應用必選的控制方式。但是FOC的一大缺陷在于，其速度回授必須依賴速度檢測裝置，例如編碼器等，若無速度檢測裝置，則無法形成有效的速度閉環(huán)，從而造成矢量控制無法進行。高精度、高分辨率的速度傳感器價格昂貴，提高系統(tǒng)成本的同時，還限制了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的應用，因此，省去速度檢測裝置的無傳感器矢量控制技術(shù)（FOC

3、 Sensorless）越來越受到重視，國內(nèi)外研究的進展都很快，部分技術(shù)已經(jīng)實用化，并整合進變頻器產(chǎn)品中。FOC Sensorless的方案很多，涉及現(xiàn)代控制理論與人工智能控制，主要方法有模型參考自適、自適應觀測器和卡爾曼濾波器等，其中以模型參考自適應方法最為成熟，已經(jīng)整合進產(chǎn)品，本文以該方法進行FOC Sensorless介紹。2、 模型參考自適應系統(tǒng)2.1系統(tǒng)理論介紹模型參考自適應系統(tǒng)（Model Reference Adaptive System, MRAS）是從20世紀50年代后期發(fā)展起來的，這類系統(tǒng)的主要特點是采用參考模型，由其規(guī)定了系統(tǒng)所要求的性能。1989年，國外學者首次利用一種

4、基于模型參考自適應系統(tǒng)來估計轉(zhuǎn)速，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示： 圖1 MRAS基本結(jié)構(gòu)圖1中，參考模型和可調(diào)模型被相同的外部輸入所激勵，和分別是參考模型和可調(diào)模型的狀態(tài)矢量。參考模型用其狀態(tài)規(guī)定了一個給定的性能指標，這個性能指標與測得的可調(diào)系統(tǒng)的性能比較后，將其差值矢量輸入自適應機構(gòu)，由自適應機構(gòu)來修改可調(diào)模型的參數(shù)，使得它的狀態(tài)能夠快速而穩(wěn)定地逼近，也就是趨近于零。從而使得可調(diào)模型完全等效于參考模型。2.2參考模型、可調(diào)模型和狀態(tài)變量由于只有定子電壓和電流是可以直接測量的，所以通常由定子ABC軸系表示的定、轉(zhuǎn)子電壓矢量方程來構(gòu)成MRAS，即有： （2-1） （2-2）定子電壓矢量方程中沒有電動機轉(zhuǎn)

5、速變量，而轉(zhuǎn)子電壓矢量方程中包含有轉(zhuǎn)子速度信息，所以將定子電壓矢量方程作為參考模型，而將轉(zhuǎn)子電壓矢量方程作為可調(diào)模型。 轉(zhuǎn)子電壓矢量方程中含有轉(zhuǎn)子電流矢量，是不可測量的，應設法將其消去。由轉(zhuǎn)子磁鏈矢量方程： （2-3）可得 （2-4）將式（2-4）代入式（2-2），即有： （2-5）這樣，可由式（2-5）構(gòu)成可調(diào)模型。在MRAS中，參考模型和可調(diào)模型兩者比較的是同一狀態(tài)矢量，在式（2-1）和式（2-5）中，可調(diào)模型的狀態(tài)變量為，而參考模型的狀態(tài)變量為，應將兩者的狀態(tài)變量統(tǒng)一起來。這里，將轉(zhuǎn)子磁鏈矢量作為兩者可比較的同一狀態(tài)矢量。由定、轉(zhuǎn)子磁鏈矢量方程可得： （2-6）將式（2-6）代入定子電壓

6、矢量方程（2-1），則有 （2-7）于是，可由式（2-7）構(gòu)成參考模型。將式（2-7）和式（2-5）寫成坐標分量形式，即以靜止DQ坐標表示，可得 （2-8） （2-9）式（2-8）表示的參考模型又稱為轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型，因為它是由測量的定子電壓和電流而確定的。式（2-9）表示的可調(diào)模型又稱為轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型，因為若將轉(zhuǎn)子速度作為一個已知的參數(shù)，那么轉(zhuǎn)子磁鏈便可由測量的定子電流而求得。 這里，認為參考模型是理想的模型，由它表示的電動機狀態(tài)與實際相符，即轉(zhuǎn)子磁鏈矢量是真實而又準確的。在可調(diào)模型中，假定參數(shù)、和是準確的不變參數(shù)，而轉(zhuǎn)速是可調(diào)參數(shù)，也就是需要辨識的參數(shù)，記為。如果由可調(diào)模型估計的轉(zhuǎn)子

7、磁鏈矢量與參考模型確定的相同，即二者誤差為零，那么轉(zhuǎn)速估計值一定與實際值一致，如果兩者有偏差，說明估計值與實際值不一致。顯然，轉(zhuǎn)速估計偏差與兩個模型估計的轉(zhuǎn)子磁鏈矢量誤差間一定有必然的聯(lián)系，這種聯(lián)系即為自適應規(guī)律。2.3利用感應電壓矢量估計轉(zhuǎn)速 在眾多的自適應規(guī)律方法中，感應電壓矢量估計法是最為實用的，這是因為其算法易于實現(xiàn)，且狀態(tài)量為定子電流，易于檢測。 將式（2-7）寫成以下形式，即 （2-10）在基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制中，由感應馬達等效電路圖可得： （2-11）為轉(zhuǎn)子磁鏈矢量生成的感應電壓，如用而不用轉(zhuǎn)子磁鏈來構(gòu)建MRAS，雖然采用的仍然是式（2-8），但不再需要積分器，這樣就避免了

8、積分引起的低頻問題。 同樣，可將轉(zhuǎn)子電壓矢量方程（2-5）寫成以下形式，即： （2-12）方程中含有轉(zhuǎn)速，因此可將此方程作為可調(diào)模型，而將式（2-11）作為參考模型?？蓪⒄`差信息定義為，即： （2-13）式中，和是參考模型中的坐標分量，由式（2-11）可知： （2-14） （2-15）同理，和是可調(diào)模型中的坐標分量，由式（2-12）可得： （2-16） （2-17）由式（2-13）獲得的誤差信息可計算出當前的速度信息 （2-18）將式（2-13）至（2-18）代入圖1中，可得如下模型參考自適應關(guān)系圖：圖2 基于電壓矢量轉(zhuǎn)速估測的MRAS結(jié)構(gòu)3、 基于MRAS的FOC Sensorless臺達變

9、頻器控制3.1控制架構(gòu)采用基于MRAS的FOC Sensorless控制模式可與矢量控制有效地結(jié)合起來，即將估算出的速度進行速度回授，從而完成速度環(huán)控制，同時通過馬達參數(shù)自學習，將勵磁曲線參數(shù)進行有效估測，以完成矢量控制的勵磁環(huán)構(gòu)造。馬達參數(shù)自學習曲線如下： 圖3 馬達參數(shù)自學習曲線圖3中，黃線即為馬達勵磁電流曲線，可見當頻率超過基頻以上時，其越來越小，并且記錄相應的Lm，從而能夠通過table了解到當前頻率下的id電流值與Lm勵磁電感，并能推算出。 FOC Sensorless控制系統(tǒng)圖如下所示：圖4 FOC Sensorless控制系統(tǒng)圖圖4中FLUX REFERENCE模塊負責計算出當前

10、的id勵磁電流，它的基礎即為馬達參數(shù)自學習中獲取的超頻電流與電感對應信息，通過該信息可以獲取高頻下的勵磁電感與磁通信息，構(gòu)成ADR控制回路。同時，F(xiàn)LUX REFEREMCE模塊推算出的勵磁磁通，可以計算出iq轉(zhuǎn)矩電流，從而完成AQR控制回路。通過得到的iq和歷次磁通和計算出偏移角，從而完成CLARK-PARK變換。MRAS SPEED ESTIMATOR模塊為模型參考自適應轉(zhuǎn)速估測模塊，它負責估算出當前的轉(zhuǎn)子速度，其具體算法在第二部分已經(jīng)詳細介紹。最終在FLUX REFENCE與MRAS SPEED ESTIMATOR兩個模塊的作用下，F(xiàn)OC Sensorless矢量控制形成。3.2臺達無傳

11、感器算法變頻器當前，臺達VE與C2000系列變頻器均以開始FOC Sensorless的應用測試，不久將會整合至標準韌體中，C2000與VE均為高性能矢量控制型變頻器，但C2000為VE的升級機種，其功能更為強大，頻寬也更快，控制方式也更為豐富，是未來的主推機種。圖5 臺達C2000與VE外觀圖3.3實驗數(shù)據(jù)在臺達VE系列變頻器上進行FOC Sensorless控制實驗，首先進行馬達參數(shù)自學習，將馬達參數(shù)進行偵測，而后對必要參數(shù)進行設定，如下所示：表1 FOC Sensorless實驗參數(shù)設定表參數(shù)地址參數(shù)內(nèi)容參數(shù)描述00-105FOC Sensorless控制模式00-200頻率命令來源為面板00-210運轉(zhuǎn)指令來源為面板11-001PI AUTO MODE11-1150零速頻寬調(diào)大FCMD10HZ從面板設定頻率指令實驗采取的為1HP 400V系列 VE變頻器，并搭配臺達750W伺服馬達，進行帶載測試，將伺服的出力從0逐步以10%遞增，直到80%，觀測變頻器轉(zhuǎn)矩電流逐步增加，但是馬達轉(zhuǎn)速為300RPM并保持不變，輸出頻率隨著負責的增加也增大，整個曲線狀況滿足矢量控制特性，表明臺達FOC Sensorless控制策略的可靠。圖6 FOC Sensorless實驗曲線圖4、 結(jié)語基于MRAS模型參考自適應方法的FOC Sensorl