基于新型磁鏈觀測器的無速度傳感器感應電機控制技術研究

王賢明，何 露，胡 麗，鄭 成，曹 一

(中國船舶重工集團公司 第七二二研究所，湖北 武漢 430205)

基于新型磁鏈觀測器的無速度傳感器感應電機控制技術研究

王賢明，何 露，胡 麗，鄭 成，曹 一

(中國船舶重工集團公司 第七二二研究所，湖北 武漢 430205)

提出一種由補償式的二階帶通濾波器電壓磁鏈觀測模型，基于該補償電壓模型，構成新的磁鏈估計器。為了解決磁鏈觀測器多平衡狀態的問題，提出以提高磁鏈估計精度的方法、對不同類型感應電動機磁通觀測器的控制技術進行研究。對傳統的模型參考自適應速度估計方法進行改進，基于補償式二階帶通濾波器電壓磁鏈觀測模式作為參考模型，速度估計的精度提高。同時對基于新型磁鏈觀測器的無速度傳感器感應電機控制技術進行研究，然后通過仿真驗證。

感應電機；磁鏈觀測；控制技術；無速度估計

0 引 言

近年來，感應電機無速度傳感器矢量控制算法取得了快速發展。許多學者進行了深入的研究，并提供了很多實用的方法，特別是模型參考自適應全階觀測方法已經引起了廣泛關注，其中包括異步電機模型，觀測器反饋增益和轉子速度自適應律[1–4]。傳統速度自適應法是基于李雅普諾夫穩定性理論和波波夫超穩定性理論[5–7]。為了加快收斂速度估計誤差，極點配置是為了觀察反饋增益矩陣設計的通常使用方法。然而，許多研究和實際工作都表明，即使在參數誤差和測量噪聲很小的情況下，基于全階自適應觀測器的感應電機無速度控制系統會產生不穩定現象。

本文討論基于改進電壓模型磁通估算方法，從而實現異步電機無速度傳感器控制系統的穩定運行。通過理論分析及仿真，驗證了本文提出新方法的正確性。

1 感應電機速度觀測模型

高精度、高分辨率的速度和位置傳感器（如光電編碼器等）價格昂貴，不僅提高了控制系統的成本，還限制了裝置在惡劣環境下的應用。運用無速度傳感器控制技術，可以在線估計感應電機的速度和位置，從而省去了傳感器。

1.1 靜止ABC軸系速度觀測模型

在靜止ABC軸系中，定、轉子磁鏈和電壓矢量方程為：

轉子電壓矢量方程中含有轉子速度ωr，因此可用來獲取轉子速度信息，但是方程中有轉子電流矢量ir，它是不可測量的，為此要將ir從方程中消去。

由式（2）可得：

式中定子電流is可取實測值，除此之外，還需要知道轉子磁鏈矢量ψr及其微分dψr/dt。

由式（1）和式（2），可求得：

1.2 定子磁鏈旋轉坐標系速度觀測模型

定子磁鏈旋轉坐標系速度觀測模型方程表達為：

2 感應電機磁鏈觀測器模型

2.1 轉子磁鏈觀測器電流模型

下面給出轉子磁鏈觀測電流模型方程式：

將式（17）轉換成原理框圖，如圖1所示。

2.2 轉子磁鏈觀測器電壓模型

電壓模型表達式如下：

因純積分存在零漂，可采用一階低通濾波器代替純積分環節，從而清除零漂現象。

2.3 轉子磁鏈觀測器改進電壓模型

改進型電壓模型先通過S/（S+λHωsTs）濾波器、再通過1/（S+λLωsTs）濾波器，最后對幅值及相位進行補償，原理框圖如圖 2 所示，系數λH=0.1、λL=0.2。仿真波形如圖3（a）、圖3（b）所示，圖3（c）是幅值及相位補償前后定子磁鏈仿真對比波形、電壓模型與電流模型轉子磁鏈仿真對比波形。基于這種改進型方法需要對幅值及相位進行補償，觀測的磁鏈波形比較準確。

3 無速度傳感器感應電機閉環控制系統

上面2種對速度觀測是采用公式推導，即開環方式，且電角頻率表達式中存在微分項，在離散化求解過程中會產生較大毛刺，計算結果會不太準確。下面采用模型參考自適應系統（Model Reference Adaptive System，MRAS），即一種閉環方式，這種模型主要包含參考模型、可調模型及自適應機構3部分。參考模型通常采用電壓模型觀測出電機轉子磁鏈，可調模型通常采用電流模型觀測出電機轉子磁鏈，自適應機構采用電壓、電流模型計算的磁鏈值交叉相乘，將這個交叉相乘的結果經過PI控制器，PI控制器的輸出作為電角頻率值，并將這個計算的電角頻率值送入電流模型進行實時修正，使電壓模型與電流模型觀測的轉子磁鏈完全吻合，這樣實現了電角頻率的實時觀測。圖4為模型參考自適應系統原理框圖。

當電機參數比較準確時，估計出的ψr和ωr能始終映射出電動機的真實狀態。但當電阻Rs不準確，在低速時對觀測的結果產生影響；純積分器引起的誤差積累或直流溫漂等問題也會對觀測的結果產生影響。除定子電阻Rs外，轉子電阻Rr以及電感Lm和Lr同樣存在不準確性，在運行中也會發生變化，這些都會影響MRAS在低速時的應用和估計結果的準確性。

圖5為采用間接磁場定向閉環控制，角速度ωr還是根據速度編碼器檢測的值代入計算，基于參考自適應模型進行角速度ωr_cal觀測，但不參于閉環控制。圖6為采用間接磁場定向閉環控制，基于參考自適應模型進行角頻率ωr_cal觀測并參于閉環控制。采用速度PI外環，電流內環控制，速度參考值為300 r/min，從仿真波形可以看出，觀測的電角頻率值與實際值接近。

4 結 語

與原有帶速度傳感器交流傳動控制系統相比，無速度傳感器控制系統具有更高的可靠性和更低的成本，明顯減小電機的安裝體積，并可以工作在更惡劣的環境下。本文采用新型磁鏈觀測模型進行感應電機閉環控制，速度觀測及閉環控制效果良好。

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Research on the different kinds of speed sensorless induction machine flux observer control technology

WANG Xian-ming, HE Lu, HU Li, ZHENG Cheng, CAO Yi
(The 722 Research Institute of CSIC, Wuhan 430205, China)

A compensated voltage model is proposed in this paper, which consists of a second order band pass filter and its compensator. Based on this compensated voltage model, a new flux estimator is constructed. To solve this multiple equilibrium states problem, a method to improve the flux estimator is proposed and the different kinds of induction motor flux observer control technology are studied. The traditional model reference adaptive speed estimation method is modified and using the band pass filter compensated voltage model proposed in this paper as the reference model. The precision of speed estimation is improved. On the basis of this modified model reference adaptive speed estimation method, a speed sensorless induction machine vector control strategy is proposed and then validated through simulation.

induction motor；flux estimation；control technology；speed-sensorless

TM3

A

1672 – 7619(2017)06 – 0142 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.029

2017 – 01 – 05；

2017 – 03 – 30

王賢明(1982 – )，男，工程師，主要從事控制技術方面的研究工作。