基于新型模型參考自適應的感應電機轉(zhuǎn)速估算*

李謨發(fā)，羅小麗，劉萬太，石瓊，陳文明

(湖南電氣職業(yè)技術學院，湖南湘潭 411101)

基于新型模型參考自適應的感應電機轉(zhuǎn)速估算*

李謨發(fā)，羅小麗，劉萬太，石瓊，陳文明

(湖南電氣職業(yè)技術學院，湖南湘潭 411101)

在傳統(tǒng)的(模型參考自適應系統(tǒng))MRAS中，當電機低速運行時，轉(zhuǎn)速估算不準確，針對該問題，現(xiàn)提出了一種基于轉(zhuǎn)子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩誤差同時使用的轉(zhuǎn)速估算方法，可以改善無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)在低速區(qū)的性能。仿真結(jié)果表明所提出的轉(zhuǎn)速估計方法在低速區(qū)的優(yōu)越性。

模型參考自適應系統(tǒng)；無速度傳感器；矢量控制；轉(zhuǎn)速估算

0 引言

對于各行各業(yè)中用到異步電機矢量控制系統(tǒng)調(diào)速時[1]，轉(zhuǎn)速信息是必需的。轉(zhuǎn)速可以通過傳感器來測量或者通過電壓、電流信號以及電機參數(shù)來估算。使用傳感器測量轉(zhuǎn)速，速度傳感器不僅成本高，而且安裝非常不便，在相對惡劣的條件下，速度傳感器的測量精度也容易受到影響。所以研究無速度傳感器的驅(qū)動控制系統(tǒng)成為了異步電機矢量控制系統(tǒng)調(diào)速的重要研究方向之一[1]。

對于異步電機無速度傳感器矢量控制，已有專家學者提出了幾種轉(zhuǎn)速估算方法[2]，這些方法可被分為兩類：一是基于模型或者基于信號注入的觀測器，基于模型觀測器的主要缺點是在低速時性能不佳和參數(shù)敏感；二是基于轉(zhuǎn)子磁鏈的MRAS，由Schauder[3]提出的，這種技術的缺點是對參數(shù)(特別是定子電阻)敏感，并且純積分問題限制了電機在低速區(qū)域的運行性能。

1 異步電機矢量控制

轉(zhuǎn)子磁鏈定向的控制系統(tǒng)[5]能實現(xiàn)電流完全的解耦控制，無需增加解耦器，并且不存在靜態(tài)穩(wěn)定性限制等條件，控制方式簡單，具有較好的動態(tài)性能和控制精度，可獲得和直流電機一樣的線性機械特性，故異步電機中廣泛采用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，重點研究方向為估算轉(zhuǎn)速精度高的無速度傳感器矢量控制。

2 MRAS轉(zhuǎn)速觀測器

采用MRAS轉(zhuǎn)速估計算法的誤差信號可以為：轉(zhuǎn)子磁鏈、反電動勢和無功功率。而基于轉(zhuǎn)子磁鏈的MRAS轉(zhuǎn)速觀測器[6]的估算準確性取決于轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器與實際電動機的轉(zhuǎn)子磁鏈的匹配程度。

2.1 傳統(tǒng)的MRAS轉(zhuǎn)速觀測器

傳統(tǒng)的MRAS方法用于估算轉(zhuǎn)速時，通常以轉(zhuǎn)子磁鏈作為誤差信號[7]，方程如下

(1)

假設轉(zhuǎn)速的變化率低于電量的變化速度，并且選擇合適的自適應規(guī)律，得到轉(zhuǎn)速的辨識方程為

(2)

式中，Kp>0，Ki>0該自適應規(guī)律存在明顯的直流偏移和純積分問題。對于傳統(tǒng)的MRAS轉(zhuǎn)速觀測器，其最主要的缺點是低速區(qū)的估算精確度較低且定子電阻對電壓模型影響較大，因此提出新的MRAS轉(zhuǎn)速估算方法，改善其低速區(qū)的估算準確性。

2.2 新型MRAS轉(zhuǎn)速觀測器

為適應外銷貿(mào)易的需要，廣彩匠人的早期產(chǎn)品為來樣加工。逐漸主動轉(zhuǎn)變?yōu)轶w現(xiàn)西方審美情趣的風格。廣彩廣泛借鑒西方繪畫風格，從油畫、版畫、素描等繪畫方式中學習借鑒，汲取宗教故事，寓言故事等靈感。同時，在歐洲的上流社會，定制自己家族的徽章紋瓷成為一種時尚，廣彩制作了大量的印章紋瓷器。

在新的MRAS方法中，將有兩種誤差信號同時使用：一種為轉(zhuǎn)子磁鏈之間的誤差；另一種為電磁轉(zhuǎn)矩之間的誤差。電機電磁轉(zhuǎn)矩的估算形式可以表示為[8]

(3)

由電機的式(4)可知負載變化將導致速度變化，直到電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，到達新的平衡。

系統(tǒng)的運動方程為

(4)

那么，基于相同的原理，估算的轉(zhuǎn)矩變化也將導致估算的速度變化直到估算轉(zhuǎn)矩等于電磁轉(zhuǎn)矩[8]。然后式(4)用電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的估算量代替其實際量，可得到

(5)

將式(4)減去式(5)，可得誤差動態(tài)方程

(6)

為了使系統(tǒng)獲得良好估算特性，必須同時考慮以下兩個條件

(7)

根據(jù)確定傳統(tǒng)的MRAS轉(zhuǎn)速估算自適應規(guī)律相同的方法來確定新的MRAS自適應控制律，并且考慮轉(zhuǎn)速的誤差，因此轉(zhuǎn)速的估算公式變?yōu)?/p>

(8)

圖1 新型MRAS轉(zhuǎn)速估算模型框圖

3 仿真實現(xiàn)

圖2是基于MRAS估計轉(zhuǎn)速的異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖。為實現(xiàn)電機在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的控制，加入了弱磁控制器獲取準確轉(zhuǎn)子磁鏈值。對框圖在Matlab/Simulink中搭建仿真模型。系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)中，異步電機的主要參數(shù)有：PN=2500W,UN=380V,fN=50Hz，Rs=0.435Ω,Ls=0.071H,Rr=0.816Ω,Lr=0.071H,Lm=0.069H,np=2,J=0.18kg·m2,φ=0.85Wb。

圖2 基于新型MRAS的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖

為檢驗所提出的速度估計算法在各速度區(qū)的估計效果以及控制性能和抗干擾性能，電機空載啟動，0.35s時加30N·m的負載，速度給定情況如表1所示。轉(zhuǎn)速響應波形如圖3所示，估計轉(zhuǎn)速波形如圖4所示。

表1 速度給定情況

圖3 轉(zhuǎn)速響應波形

圖4 估計轉(zhuǎn)速波形

仿真結(jié)果從圖4的轉(zhuǎn)速響應波形可以看出，系統(tǒng)很快進入穩(wěn)定狀態(tài)，實際轉(zhuǎn)速即快速又準確的跟隨給定速度，在全速區(qū)域內(nèi)仿真效果都較理想。突加負載后，轉(zhuǎn)速降落較小并能迅速恢復，表明該系統(tǒng)的運行特性好，并具備較強的抗干擾能力。

由圖4的估計轉(zhuǎn)速波形可以看出，轉(zhuǎn)速估計值可以快速準確收斂到實際值，跟蹤效果良好，應用新的轉(zhuǎn)速估算方法，使得速度在低速區(qū)估計效果也較為理想。

由圖5估計速度偏差波形可知，速度估計偏差基本在3r/min左右，在低速時估計轉(zhuǎn)速偏差更小，說明所提出的基于新型MRAS速度估計算法具有較高的估計精度和響應速度。

圖5 估計速度偏差波形

由圖6電磁轉(zhuǎn)矩響應曲線可以看出，轉(zhuǎn)矩脈動較小并響應快速準確，速度給定變化過程中，轉(zhuǎn)矩能夠迅速收斂到負載轉(zhuǎn)矩附件，且波動較小，可知電機可以獲得較好的調(diào)速性能。

圖6 轉(zhuǎn)矩響應波形

4 結(jié)語

通過仿真結(jié)果可以證明本文所提出的新型MRAS轉(zhuǎn)速估算方法以及整個系統(tǒng)控制策略是切實可行的，此方法能夠在一定程度上克服傳統(tǒng)MRAS轉(zhuǎn)速估算在低速區(qū)速度估計不準的問題，也取得了較好的估計效果，在電機運轉(zhuǎn)高、低速區(qū)域內(nèi)都有良好的估算精度，電機靜態(tài)和動態(tài)性能穩(wěn)定。

[1] 吳婷.基于MRAS的模糊自適應異步電機矢量控制的研究[D]. 湘潭：湘潭大學，2010.

[2] 陳伯時,楊耕.無速度傳感器高性能交流調(diào)速控制的三條思路及其發(fā)展建議[J].電氣傳動，2006,36(1):1-4.

[3] C. Schauder, Adaptive speed identification for vector control of induction motors without rotational transducers, IEEE Trans. Ind. Appl. 28 (5) (1992)1054-1061.

[4] B. Karanayil, M. F. Rahman, and C. Grantham, “An implementation of a programmable cascaded low-pass filter for a rotor flux synthesizer for an induction motor drive,”IEEE Trans. Power Electron., vol. 19, no. 2,pp. 257-263, Mar. 2004.

[5] 陳伯時，陳敏遜. 交流調(diào)速系統(tǒng)第2版[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[6] 廖勇，張鳳蕊. 無傳感器矢量控制系統(tǒng)及其速度估算的研究[J],電工技術學報， 2004，19(2):36-40.

[7] driss Benlaloui,Said Drid,Larbi Chrifi-Alaoui,and Mohammed Ouriagli“Implementation of a New MRAS Speed Sensorless Vector Control of Induction Machine”IEEE Trans. Ind. Electron，pp.1556-1563,2014.

[8] Saqib Rind, Yaxing Ren,Lin Jiang“MRAS based Spe-

ed Sensorless Indirect Vector Control of Induction Motor Drive for Electric Vehicles”Trans. Ind. Electron,pp.978-985,2014.

聲 明

為擴大本刊及作者知識信息交流渠道，加強知識信息推廣力度，本刊已許可中國學術期刊(光盤版)電子雜志社在CNKI中國知網(wǎng)及其系列數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品中，以數(shù)字化方式復制、匯編、發(fā)行、信息網(wǎng)絡傳播本刊全文。該著作權(quán)使用費及相關稿酬，本刊均用作為作者文章發(fā)表、出版、推廣交流(含信息網(wǎng)絡)以及贈送樣刊之用途，即不再另行向作者支付。凡作者向本刊提交文章發(fā)表之行為即視為同意我編輯部上述聲明。

《防爆電機》編輯部

Estimation for Rotating Speed of Induction Machinebased on A New Type of MARS

LiMofa,LuoXiaoli,LiuWantai,ShiQiong,andChenWenming

(Hunan Electrical College of Technology, Xiangtan 411101, China)

In traditional MRAS (model reference adaptive system), it is not accurate to estimate rotating speed of motor running at low speed. Aimed at this question, this paper proposes a new kind of estimation method based on errors of combining rotor flux link with electromagnetic torque, which can improve performance of vector control system of speed senseless at low-speed zone. The simulation result indicates that the proposed method of estimating rotating speed has obvious superiorities at low-speed zone.

MRAS；speed senseless；vector control；rotating speed estimation

湖南省風力發(fā)電機組及控制重點實驗室開放基金項目(項目編號22016FLFDYB05，22016FLFDYB04)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.01

TM346

A

1008-7281(2017)02-0001-004

李謨發(fā) 男 1986年生；碩士研究生，湖南工業(yè)大學電力電子傳動及控制專業(yè)，現(xiàn)從事電機特性分析與控制、電力電子及應用與分布式新能源發(fā)電等方向的研究.

2016-11-30