淺談交流電機無速度傳感器控制策略

吳宏宇 吳興宇 史運濤

摘 要：目前，隨著工業自動化的不斷發展，交流電機將會被廣泛使用。同時由于無速度傳感器技術具有低成本與高可靠性等優點，所以發展交流電機無速度傳感器技術，對于提高科技生產力以及工業自動化具有極其重要的意義。本文將簡要介紹高性能無速度傳感器交流電機控制策略，一種是異步電機與速度自適應全階觀測器相結合，另一種永磁同步電機與滑模觀測器相結合的控制方法，旨在進一步促進高性能無速度傳感器交流電機控制策略的發展。

關鍵詞：交流電機；無速度傳感器；全階觀測器；滑模觀測器

隨著電力電子技術、微電子技術、現代電機控制理論的迅速發展，交流電機獲得快速的推廣與應用[ 1 ]。目前，在高性能交流電機控制領域中矢量控制[ 2 ]已經被廣泛應用。在實際應用中，為了進一步提高交流電機在不同環境下運行的可靠性，交流電機無速度傳感器控制技術被提出。無速度傳感器控制方法主要分為兩大類，一種為外部信號注入，這種方法只適應于極低速的工況運行，同時額外的信號注入會帶來高損耗、噪聲等問題。另一種為基于交流電機模型的方法，如：模型參考自適應[ 3 ]、卡爾曼濾波[ 4 ]、滑模觀測器[ 5 ]、自適應全階觀測器[ 6 ]等方法，這些方法具有很高的控制精度以及魯棒性。

本文將重點介紹自適應全階觀測器、滑模觀測器與矢量控制在交流電機無速度傳感器技術中的應用。

1 速度自適應全階觀測器

對于異步電機來說，定子磁鏈和電磁轉矩通常無法直接得到，一般是采用實時測量的電壓電流信息和電機參數，并根據電機數學模型構造觀測器來對內部的狀態變量進行估計。全階觀測器在較寬范圍內都有很高的觀測精度[ 7 ]，通過引入速度自適應環節后可以在觀測定子磁鏈的同時估計電機轉速，實現無速度傳感器控制。

在全階觀測器的設計中，反饋增益矩陣與自適應率系數的設計直接關系到系統的穩定性、魯棒性以及收斂速度[ 7 ]。為了保證系統的穩定性與收斂性，本文將介紹一種采用極點左移的方法來設計增益矩陣并對其進行簡化，最終得到一個常數增益矩陣。引入速度自適應環節，可以利用李雅普諾夫函數推導出轉速估計的自適應率[ 7 ]，在實際應用中為了保證估計轉速的收斂速度一般采用PI調節器來代替純積分環節。

2 滑模觀測器

在無速度傳感器永磁同步電機控制策略中，滑模觀測器被廣泛應用，因為其具有結構簡單、魯棒性強以及快速的動態響應[ 8 ]。滑模觀測器的主要思想是通過選取滑模面與滑模增益來估計永磁同步電機中的反電動勢信號，再經過正交鎖相環來提取出同步轉速以及轉子位置信號。由于逆變器非線性以及磁場諧波的存在，估計中的反電動勢會產生6k±1諧波，導致轉子位置估計不準，從而影響矢量控制中d、q軸的解耦。許多學者提出了改進型方法通過慮除反電動勢信號中的諧波，來提高轉子位置信息的估計精度，如：自適應陷波器、級聯式低通濾波器、神經網絡等方法。

3 矢量控制

目前，矢量控制被廣泛應用在交流電機控制領域中，矢量控制為一個雙閉環控制系統，外環分別為轉子磁鏈與電機轉速控制環，內環為定子電流控制環。矢量控制是通過把轉子磁場定向到旋轉坐標系中，然后把定子電流分解成d、q軸電流，最終采用PI調節器來分別控制轉子磁鏈與電磁轉矩。這種解耦控制方法使矢量控制具有很好的穩態及動態性能，因此能夠滿足高性能交流電機控制領域的要求。

矢量控制中傳統線性PI調節器的電流內環分為d、q軸兩個獨立的控制環，由于受到環路間存在交叉耦合項、控制器離散化處理時產生的誤差、數字控制系統延遲等因素的影響，調節器的控制效果會產生劣化。

因此有許多學者提出將交流電機控制系統中的d、q軸電流環當作一個整體的方法，然后在離散域中建立交流電機的電流環數學模型，同時考慮數字控制系統的一拍延遲，在離散域中直接設計電流調節器[ 9 ]，最終基于自動控制原理，推導出電流調節器參數設計的最優值。采用最優PI設計參數時，d、q軸電流動態響應快且不存在超調量。這種交流電機電流調節器設計方法能夠很好的與上面提高的無速度傳感器技術相結合，從而進一步推廣了交流電機在工業當中的應用。

4 結語

本文詳細的研究了交流電機無速度傳感器控制策略，主要介紹了速度自適應全階觀測器與滑模觀測器，這兩種控制方法具有結構簡單、魯棒性好、觀測精度高等特點，使其在交流電機控制領域中被廣泛使用。本文也介紹了矢量控制在交流電機控制中的應用。首先介紹了傳統線性PI調節器并不能完全消除環路之間的交叉耦合項以及離散化所帶來的誤差，然后介紹了一種直接在離散域中設計的復矢量PI調節器。這種方法很好的解決了環路之間的耦合以及離散誤差等問題，為實現高性能交流電機無速度傳感器運行提供了理論基礎。本文的研究結果為高性能交流電機無速度傳感器運行提供了新型解決方案，具有較大的工業應用價值。

參考文獻：

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[9] Kim H，Degner M，Guerrero J，et al.Discrete-Time Current Regulator Design for AC Machine Drives [J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2010，46（4）：1425-1435.

作者簡介：

吳宏宇（1982-），男，漢族，碩士研究生，研究方向為現場總線與電機控制；

吳興宇（1990-），女，漢族，碩士研究生，研究方向數據處理與高性能控制；

史運濤（1975-），男，漢族，博士，教授，研究方向為混雜系統優化控制。