基于無源控制的無速度傳感器異步電機調速控制

楊振元+關艷翠

摘 要：交流電機是一個多變量、非線性、多擾動、強耦合的機電能量轉換裝置。隨著計算機、電力電子等技術的發展，為交流電機控制方法提供了更多的可能，因此，將非線性控制理論等引入到了交流電機的調速研究當中，無源控制理論就是其中一種。與其他非線性控制技術相比，無源控制技術具有穩定性、對參數變化有一定的抗擾作用等特點，極大地提高了電機的控制效果。

關鍵詞：無源控制；無速度傳感器；異步電機；調速系統

中圖分類號：TM343 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.096

近年來，各國加大了對無速度傳感器控制系統的研究，提高了系統獲取轉速信息的速度和準確度。經過20多年的研究，取得了一定的成效。無速度傳感器控制系統不需要檢測硬件，解決了速度傳感器需要各種檢驗硬件支持的問題，降低了傳感器的成本，提高了系統的可靠性。此外，無速度傳感器的體積比較小、質量輕，控制器與電機不需要連線，大大提高了系統的便利性，廣泛應用在無速度傳感器的異步電機調速系統中。

1 無源控制方法

1.1 PI自適應控制

這種控制方法是通過PI自適應控制器獲得某些量的誤差信息的，從而獲得轉速信息，這是一種算法簡單、效果明顯的估算方法。

1.2 動態速度估算法

以電機模型為基礎，通過轉子磁和轉子反電估算，這種估算方法直觀性強、計算方法簡單。但由于這種估算方法缺少誤差校正環節，所以，抗干擾能力差，對電機參數變化比較敏感。然而，在應用過程中，通過參數的辨識能力和誤差校正能力可提高控制系統抗干擾的魯棒性，從而提高系統的控制能力。

1.3 擴展卡爾曼濾波器法

這種控制方法將每一個估算法看成模型線性，估算機電的轉速，并將機電的轉速看成一個狀態變量。擴展卡爾曼濾波器法能有效控制噪聲，提高轉速估算的精準度。但是轉速的精準度會受到電機運行參數的影響，且這種算法的計算量比較大。

1.4 神經網絡算法

神經網絡算法是根據邏輯規則進行推理的，然后將信息轉化為概念，并用符號表示，將符號按照串行模式進行邏輯推理，并將這個推理過程寫成指令，計算機按照指令執行命令。隨著計算機技術的發展，神經網絡算法廣泛應用在社會各個領域。神經網絡算法應用在無源控制技術中，就是用神經網絡代替了電流模型轉子磁鏈觀測器，通過誤差計算出傳播算法計算機電轉速。神經網絡算法雖然具有一定的優勢，但其理論和技術還處于起步階段，還需要進一步研究。

1.5 模型參考自適應法

把不含轉速的方程作為參考模型的數據資料，含有轉速的模型作為可調模型的數據資料，兩個模型按照相同的物理參量進行輸出，兩個模型輸出誤差就構成了自適應律，通過對可調模型參數的調整，可有效控制輸出對象跟蹤參考模型的目的。模型參考方法具有一定的參數辨識方法，能確保參數估算的正確率。但模型參考法是以參考模型的準度為基礎的，所以，參考模型參數的準確度直接影響到系統速度辨識度和控制效果。

2 異步電機控制系統仿真設計

本文主要探討了模型參考自適應的估算方法，并通過仿真模擬的方式觀察估算結果。

2.1 控制系統

根據模型自適應參考法的相關要求，通過電機的無功功率參考模型方法解決了磁鏈中電子電阻影響的問題，減少估算誤差，從而得出瞬時無功功率。將電機模型中的不含轉速信號作為參考模型，含轉速信號作為可調模型，從而得出無功功率的模型自適應法系統模型圖；計算出系統期望轉矩控制器的轉矩值、磁鏈的幅值、模型誤差向量、轉子磁場定向轉差率、無源控制率等。在設計系統時，要確保模型控制系統必須是無源的，從而減小設計系統對不確定參數的影響，提高系統的實際能力。在轉速控制器的設計方面，無源控制無速度傳感器交流異步電機系統的轉矩參數接近期望轉矩時，要及時記錄轉速誤差，從而得到期望轉矩值。

2.2 仿真過程

在Matlab仿真軟件中分別搭建有速度傳感器和無速度傳感器系統，異步電動機仿真模型在給定轉速和空載情況下啟動，運行0.5 s后開始加負載。

2.3 仿真結果

根據仿真模型運行結果看，當無源異步電機在有速度傳感器系統調速時，起動階段轉速上升比較平穩，0.32 s達到額定轉速。在0.5 s時增加負載轉速立即減小，但是很快恢復正常了，轉矩隨著時間的推移上升到負載值趨于穩定。進一步驗證了異步電機調速系統仿真模型的設計是正確的。無源異動電機調速系統是基于磁鏈的模型參考自適應的方法進行估算的，當它運行結果逼近有速度傳感器的參數值時，系統波動比較小，沒有出現有速度傳感器軌跡平滑的情況。由此可以看出，磁鏈參考模型自適應無速度傳感器電機調速控制系統能夠達到有傳感器系統的調速控制效果，但是控制性能比較差。而無功功率的參考模型自適應估算法消除了磁鏈模型參考自適應估算法存在的低速運行時的抖動問題，實現了轉速平滑跟蹤電機實際轉速，控制效果更佳。

3 結束語

無速度傳感器具有穩定性高、無奇異點、魯棒性能好，有利于提高無速度傳感器異步電機調速效果。本文通過有速度傳感器和無速度傳感器的仿真設計，證明了無源控制無速度傳感器的電機調速效果較好。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕