異步電機(jī)的磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識(shí)研究

賀虎成，行俊鋒，張玉峰，祁玄玄

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

異步電機(jī)的磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識(shí)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(xué)，西安 710054；2.合肥工業(yè)大學(xué)，宣城 242000)

準(zhǔn)確的辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可進(jìn)一步提高異步電機(jī)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(jìn)一步辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速。搭建了以TMS320F28335為控制核心的硬件平臺(tái)，對(duì)磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明該辨識(shí)算法可行。

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

0 引 言

目前，電機(jī)速度反饋量普遍采用傳感器進(jìn)行測量。因此，必須在電機(jī)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(huì)帶來許多問題，比如系統(tǒng)維護(hù)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(jī)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(shí)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(jī)參數(shù)和轉(zhuǎn)速的影響，在高速時(shí)估算不準(zhǔn)；而電壓模型涉及純積分環(huán)節(jié)，所以存在累計(jì)誤差和漂移問題，在低速時(shí)估算不準(zhǔn)。轉(zhuǎn)速辨識(shí)的控制方式主要有定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補(bǔ)償法、感應(yīng)電動(dòng)勢計(jì)算法、模型參考自適應(yīng)MRAS法和轉(zhuǎn)子磁鏈角速度計(jì)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(diǎn)，利用轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型的輸出，作為速度辨識(shí)的輸入，辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并在轉(zhuǎn)速辨識(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型分析

轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁解耦的重要模型, 它所計(jì)算出的磁場定向角和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)解耦和轉(zhuǎn)速辨識(shí)的重要參數(shù)。通過電壓模型和電流模型可推導(dǎo)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(yīng)用不同的模型，在全速范圍內(nèi)都有一個(gè)較準(zhǔn)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(biāo)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(duì)式(3)、式(4)進(jìn)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(jì)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(shí)方法

無速度傳感器就是去掉電機(jī)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(jī)運(yùn)行的實(shí)際轉(zhuǎn)速[5]。無速度傳感器應(yīng)用的前提是必須要能準(zhǔn)確地辨識(shí)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速，本文采用的速度估算方法是基于反電動(dòng)勢的速度估算法，即利用基于反電動(dòng)勢的轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型中算出的磁場定向角 ，進(jìn)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(shí)際角速度[6]。這種算法結(jié)構(gòu)簡單，受電機(jī)參數(shù)影響較小。

通過對(duì)磁場定向角方程式(12)求導(dǎo)，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(jì)算數(shù)值較大，對(duì)式(15)進(jìn)行單位化，兩邊同時(shí)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(huì)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(duì)式(17)離散化，整理得：

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

式中：ωr表示電機(jī)的實(shí)際角速度。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)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(fù)責(zé)算法實(shí)現(xiàn)，母線電壓檢測電路提供欠壓、過壓保護(hù)等，光耦驅(qū)動(dòng)電路將強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)隔離開，起到保護(hù)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(hào)，上位機(jī)和面板能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和遠(yuǎn)程通信功能。

圖2 矢量控制系統(tǒng)硬件框圖

電機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用所搭建的矢量變頻控制硬件平臺(tái)，采用上述磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

如圖3所示為給定轉(zhuǎn)速為300r/min，在電機(jī)運(yùn)行階段改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，從圖中可以看出，辨識(shí)轉(zhuǎn)速能很好的跟蹤實(shí)測轉(zhuǎn)速，可準(zhǔn)確辨識(shí)電機(jī)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(dòng)較小。圖5為磁場定向角的波形。圖6為勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流波形，在電機(jī)運(yùn)行階段突加16N·m的負(fù)載，帶負(fù)載運(yùn)行一段時(shí)間后卸掉負(fù)載，由圖可知，突加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)矩電流增大，而勵(lì)磁電流不變；卸掉負(fù)載后，轉(zhuǎn)矩電流立即減小，返回空載時(shí)刻的電流值，而勵(lì)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(shí)現(xiàn)了勵(lì)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(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流波形

4 結(jié) 語

本文通過異步電機(jī)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(zhǔn)確辨識(shí)了電機(jī)轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較好的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，可以應(yīng)用于無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和勵(lì)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(jìn)EKF的異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2013，17(9):24-29.

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[4] 楊德剛.三相異步電動(dòng)機(jī)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(xué)，2014.

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[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(xué)基金項(xiàng)目(51307137)；陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(15JK1459)

TM

A

1004-7018(2017)01-0070-03

賀虎成(1979-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、智能自動(dòng)化裝置和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等。