基于高頻信號注入雙饋電機無傳感器控制技術

鄧先明， 陳 劍, 方榮惠， 于子捷

(中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221116)

?

基于高頻信號注入雙饋電機無傳感器控制技術

鄧先明， 陳 劍, 方榮惠， 于子捷

(中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221116)

針對控制系統中機械傳感器存在的安裝困難、易發生故障等一系列的問題，提出基于高頻信號注入的無傳感器檢測法。分析了雙饋電機使用高頻注入法檢測轉子轉速及位置的原理，即通過在雙饋電機的轉子側注入高頻信號，并提取在定子側感應出的高頻信號，經過鎖相環檢測算法，計算得出轉子的位置及轉速信號。建立了基于高頻注入的雙饋電機矢量控制模型，通過仿真和樣機實驗驗證了雙饋電機高頻信號注入無傳感器控制技術的可行性，為雙饋電機的無傳感器控制技術的實際應用奠定了良好的理論基礎。

雙饋電機； 矢量控制； 無傳感器控制； 高頻信號注入； 鎖相環檢測算法

0 引 言

世界能源危機的背景下，由于雙饋電機調速系統具有可變速恒頻運行、有功無功率可獨立調節以及所需變頻器容量小等優點[1]，在各個領域得到大力發展，尤其是在風能發電領域。目前，在雙饋電機的控制過程中，都是使用機械傳感器去檢測轉子的位置和轉速，由于機械傳感器存在電纜連接困難、安裝復雜、易發生故障等缺點[2]，導致檢測系統檢測出的位置和轉速的可靠性不高。因此，不少學者提出使用無傳感控制技術去取代機械傳感器，國內外都對此進行了研究，并取得了一定的成果。但目前絕大部分研究都是針對同步電機的[3-5]，針對雙饋電機的卻很少。將無傳感器技術用于雙饋電機將簡化控制系統，提高系統的控制精度和可靠性，具有很好的研究價值。本文將重點研究基于高頻信號注入法的雙饋電機無傳感器控制。

1 雙饋電機的矢量控制技術

1.1 雙饋電機矢量控制分析

異步電動機構成雙饋電動機，因此可按照分析異步電動機的方式分析雙饋電機。雙饋電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統。本文采用定子磁鏈定向的矢量控制[6]方式，對雙饋電機進行控制。

圖1是雙饋電機定子磁鏈定向的空間向量圖，將定子磁鏈ψs定向于dq坐標系的d軸上，則有ψqs=0,ψds=ψs。設ω1為同步角速度，ωr為轉子角速度，轉差角速度ωs=ω1-ωr，結合dq同步坐標系下雙饋電機數學模型[7]，可以得到雙饋電機基于定子磁鏈定向的矢量控制方程如下。

(1) 電壓方程。

(1)

式中：Ls為定子自感;uds、uqs為定子dq軸電壓;rs為定子電阻;Lm為互感;idr、iqr為轉子dq軸電流。

(2)

式中：Lr為轉子自感;udr、uqr為轉子dq軸電壓;rr為轉子電阻;p為微分算子。

(2) 轉矩方程。

(3)

式中:np為極對數;Tem為電磁轉矩。

圖1 定子磁鏈定向空間向量圖

(4)

其中：

圖2 雙饋電機控制原理圖

1.2 仿真分析

1.2.1 仿真模型

在Matlab/Simulink環境下搭建仿真模型，如圖3所示。雙饋電機參數如下：額定功率為30 kW；定子額定電壓380 V；極對數為2；定子繞組電阻為3.2 Ω；轉子等效電阻2.9 Ω；定子漏感14.3 mH；轉子漏感14.3 mH；互感265.4 mH。

圖3 雙饋電機調速系統仿真模塊

1.2.2 仿真結果

(1) 轉速改變仿真分析。轉矩保持80 N·m，轉速初始值為1 200 r/min，在1 s的時候變為1 400 r/min。仿真波形見圖4。由圖4(a)可見，當轉速發生變化時系統能夠快速的跟隨。

由圖4(b)可見，在速度突變過程中，電磁轉矩有變化，但又能迅速回到給定的負載轉矩。

(a) 轉速

(b) 轉矩

圖4 轉速改變時仿真波形

(2) 轉矩改變仿真分析。轉速為1 200 r/min保持不變，給定轉矩初始值為60 N·m，在1 s的時候突變為100 N·m。仿真結果如圖5所示。

(a) 轉矩

(b) 轉速

圖5 轉矩改變時仿真波形

由圖5(a)可以看出，在負載轉矩突變過程中，電磁轉矩能夠很快跟隨給定。圖5(b)表明，轉矩的變化對電機速度影響不大，轉速基本上沒有發生變化，說明系統的抗干擾性很強。

綜上所述，雙饋電機調速系統具有很好的動態和靜態性能。

2 雙饋電機的無傳感器檢測技術

2.1 檢測原理分析

用高頻信號注入法檢測位置是根據旋轉變壓器的原理[8-9]提出的，就是通過在轉子側注入高頻信號再在另一側檢測出高頻信號所感應出的電動勢或電流，通過一定的算法[10-11]就可以提取出感應電壓或電流中所包含的位置角及轉速信息。具體原理如圖6所示。

圖6 雙饋電機轉子位置測量原理圖

在轉子Ur相繞組中注入頻率為ωH、有效值UrH的高頻勵磁信號，在Ur軸方向產生高頻脈振磁場φrH=φmsinωHt，隨著轉子角度θ的變化，在定轉子的繞組感應電勢分別為[12]：

(5)

式中:Nr是轉子繞組的等效匝數;Ns是定子相繞組等效匝數，兩者之比匝比k=Ns/Nr。忽略繞組漏阻抗，可得定轉子繞組的高頻感應電壓有效值為：

(6)

由式(6)可得出定子U相高頻電壓和VW高頻線電壓分別為：

(7)

因此可以得到轉子的角度估計值：

(8)

對轉子的角度θ求導可得轉子的機械速度nr，np為極對數：

(9)

本文采用基于鎖相環[13-14]的無傳感器的位置及轉速檢測如圖7所示。轉子側注入高頻電壓信號Vsinωt，感應的電勢經坐標變化和解調后，得到Vs,Vc，經過做差比較，得到(sinθcosφ-cosθsinφ)即sin(θ-φ)，當sin(θ-φ)趨于零時，φ=θ，也就實現了位置角的鎖相。

圖7 基于鎖相環的轉子位置角和轉速觀測

2.2 仿真分析

2.2.1 仿真模型

鎖相環算法的位置及轉速檢測如圖8所示。

2.2.2 仿真結果

仿真過程中，選用的高頻電壓信號幅值為10 V，頻率為1.0 kHz。給定轉速為1 200 r/min,負載轉矩為50 N·m。

由圖9的仿真結果可知，通過將高頻信號注入檢測的轉子位置和轉速與傳感器檢測的位置和轉速信息進行比較，高頻信號注入法檢測的位置和轉速可以很好的跟蹤實際位置和轉速。因此，可將高頻注入法檢測的轉子位置和轉速反饋回矢量控制系統。仿真如下：

(1) 轉速改變轉矩不變仿真分析。仿真步驟為，電機在有傳感器的狀況下運行1 s，1 s后用高頻注入估算的位置和轉速替換實際位置和轉速，1.1 s時將給定轉速由1 200 r/min變為800 r/min，轉矩50 N·m保持不變，仿真結果見圖10。

圖8 基于鎖相環算法的位置與轉速檢測

由圖10仿真結果可知，無傳感器控制過程中，給定轉速變化時，實際轉速能很好地跟蹤給定的變化，轉矩也能很快恢復穩定。

(2) 轉矩變化轉速不變仿真分析。電機在實際位置下運行1 s，1 s后用估計位置及轉速代替實際位置和轉速，1.1 s時轉矩由50 N·m變為80 N·m直到最后。仿真結果見圖11。

由圖11的仿真結果可知，無傳感器控制過程中，給定轉矩變化時，轉矩能很好地跟隨，對轉速的影響很小。

因此，基于高頻注入的無傳感器位置及轉速檢測完全可替換傳感器檢測的位置和轉速，并反饋回矢量控制系統，雙饋調速系統依然有很好的動靜態性能。

(a) 鎖相環估計位置與實際位置

(b) 鎖相環估計轉速與實際轉速

(c) 解調后的包絡線

圖9 基于高頻注入的位置及轉速檢測

(a) 實際轉速

(b) 估計轉速

(c) 轉矩

圖10 無傳感器情況下轉速變化時仿真波形

(a) 轉矩

(b) 實際轉速

(c) 估計轉速

圖11 無傳感器情況下轉速變化時仿真波形

3 基于高頻注入無傳感器檢測方法的實驗分析

3.1 實驗方案設計

為了驗證雙饋電機轉子加高頻信號測量轉子位置和轉速的部分原理，在實驗室搭建了實驗平臺[15]。

(1) 實驗設備。繞線異步電機、他勵直流電動機、中頻電源、示波器、高精度電流電壓表、轉速表、刻度盤等。

(2) 實驗線路。轉子U相加中頻勵磁，實驗中將轉子繞組U相尾端和定子繞組的尾端連接，實驗過程線路如圖12所示。

(3) 實驗步驟。轉子中所加中頻勵磁電壓為50 V，首先手轉動轉子，測量轉子U相首端與定子U相首端的電壓，觀察電壓變化，調到其輸出為最小的位置，由差極性原理[16]，設該位置為轉子轉角θ為零的位置(即N極(d軸)與U相軸線對齊)，在轉子上標記該位置。記錄UVW三相輸出電壓和轉角。從θ=0開始，改變轉角大小，記錄如下數據：① 用電壓表記錄UVW三相相電壓、三相間線電壓和轉角關系；② 用電壓表記錄轉子正極與定子三相首端的電壓和轉角關系。

圖12 雙饋電機實驗接線圖

3.2 實驗結果分析

將記錄的數據進行處理，代入計算公式，得到轉子位置的估計值，并與實際位置進行比較。將比較后的數據利用Matlab數據處理能力進行擬合，處理后的數據如圖13所示。

實驗表明，高頻信號注入法可以很好地檢測雙饋電機轉子位置，即用高頻信號注入法替換機械傳感器用于雙饋電機調速完全可行。

圖13 轉子位置的實際值與檢測值

4 結 語

本文首先對雙饋電機矢量控制進行了分析和仿真。結果表明,雙饋電機調速具有很好的動靜態性能。接著，分析仿真了基于高頻注入法的無傳感器位置和轉速檢測，并將高頻注入法檢測的速度和位置反饋回控制系統。結果表明，基于高頻信號注入法的無傳感器位置和轉速檢測，能很好的跟蹤實際位置和轉速，同時，基于高頻注入法的雙饋電機無傳感器控制具有很好的動、靜態性能，因此，高頻信號注入法完全可替換機械傳感器來檢測轉速和位置信息，并反饋回調速系統。最后，搭建實驗平臺，通過實驗，驗證了用高頻注入法替換機械傳感器檢測轉子位置完全可行。

[1] 李娟娟.雙饋電機矢量控制調速系統及仿真[D].合肥：合肥工業大學，2004.

[2] 鄒旭東，康 勇，陳 堅.感應電機矢量控制系統無速度傳感器控制方案研究[J].電氣傳動, 2004，34(4):3-7.

[3] 鄧先明，馬志勛，李新宇，等.轉子注入高頻的同步電機無傳感器控制[J].電機與控制學報，2010,14(10)：61-67.

[4] BRIZ Fernando, DEGNER Michael W. Rotor position estimation:a review of high-frequency voltage signal injection method[J].IEEE Industrial Electronics CSEE,2008,28(33):82-86.

[5] SAYEEF Saad, FOO Gilbert, RAHMAN M F. Rotor position and speed estimation of a variable structure direct-torque-controlled ipm synchronous motor drive at very low speeds including standstill[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(11):3715-3723.

[6] Hopfensperger B,Atkinson D J,Lakin R A.Stator-flux oriented control of a doubly-fed induction machine with and without position encoder[J].IEEE Proceedings-Electric Power Application,2000,147(4):241-250.

[7] 陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2000：235-255.

[8] Jo?o Figueiredo. Resolver Models for Manufacturing[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,58(8):3693-3700.

[9] DUANE C,HANSELMAN.Techniques for Improving Resolver-to-Digital Conversion Accuracy[J]. IEEE Transaction and Industrial Electronics,1991,38(6):501-504.

[10] SARMA S,AGRAL V K,UDUPA S,etal.Instantancous angular position and speed measurement using a DSP based resolver-to-digital converter[J].Measurement,2008,41(7):788-79.

[11] 宋曉梅，朱 輝，王文靜.基于CORDIC的旋轉變壓器解碼算法研究[J].電子測量技術，2010，33(6)：39-43.

[12] 鄧先明，方榮惠，于子捷.新穎同步電機位置檢測試驗[J].實驗技術與方法,2013,30(9):38-40.

[13] Jaewook Lee, Jaekyun Moon, Tong Zhang,etal. New Phase-Locked Loop Design: Understanding the Impact of a Phase-Tracking Channel Detector[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2010,46(3):830-836.

[14] MATI’HEW J C，ROBERT D L．Rotor position and velocity estimation-for a salient-pole pemament magnet synchronous machine a standstill and high speeds[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，1998，34(4)：784-789．

[15] 張為堂，王慶龍，周澤華，等.電機拖動綜合性實驗設計[J].實驗技術與管理，2012,29(8)：48-50.

[16] 方榮惠，鄧先明，胡 堃，等.電機原理及拖動基礎[M].3版.徐州：中國礦業大學出版社，2012:104-134.

Sensorless Control of Double-fed Motor Based on High-frequency Signal Injection

DENGXian-ming,CHENJian,FANGRong-hui,YUZi-jie

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116, China)

The real-time signals of position and speed are required to control the closed-loop by vector control system of double-fed motor. Since the speed and position detection with sensor exists some problems such as difficulty of installation and easily failures, the sensorless detection based on high frequency signal injection was proposed. The principle of detecting the rotor position and speed of double-fed motor with high frequency signal injection was analyzed. It means the high frequency signal is injected into the rotor of the motor, the induced high frequency signal is extracted from the stator, and the signals of position and speed are calculated by the algorithm of phase-locked loop (PLL). The vector control model of double-fed motor based on this kind of sensorless control method is established. The feasibility of the double-fed motor position detection with high-frequency signal injection is verified by simulation and prototype experiment, hence it lays a good theoretical basis for the practical application of double-fed motor sensorless control technology.

double-fed motor; vector control; sensorless control; high frequency signal injection; phase-locked loop

2014-01-17

鄧先明(1970-)，男，四川大英人，博士，教授，從事電機與拖動方面的教學與科研工作。

Tel.:0516-83884395;E-mail: xmdeng3883023@hotmail.com

TM 343+.4；G 642.0

A

1006-7167(2015)01-0067-06