《電子技術(shù)應(yīng)用》
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異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)研究
摘要: MRAS法則基于轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)電壓模型與電流模型構(gòu)造轉(zhuǎn)速辨識(shí)模型,算法簡(jiǎn)單,能實(shí)時(shí)跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。在此結(jié)合應(yīng)用SVPWM技術(shù)構(gòu)建了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng),采用MRAS法得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速辨識(shí)模型,對(duì)速度進(jìn)行估算。利用Matlab/Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的性能。
Abstract:
Key words :

  對(duì)于高性能的磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng),速度閉環(huán)是必不可少的,轉(zhuǎn)速閉環(huán)需要實(shí)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速,目前速度反饋量的檢測(cè)多是采用光電脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或測(cè)速發(fā)電機(jī)。但是,許多場(chǎng)合下不允許安裝任何速度傳感器,此外安裝速度傳感器在一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性。因此,無(wú)速度傳感器控制的高性能通用變頻器是當(dāng)前全世界自動(dòng)化技術(shù)和節(jié)能應(yīng)用中受到普遍關(guān)心的產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)課題。無(wú)速度傳感器磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)的核心是如何準(zhǔn)確的獲取磁場(chǎng)定向角以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息。2000年,日本電氣學(xué)會(huì)調(diào)查了日本各大電氣公司生產(chǎn)的無(wú)速度傳感器控制的通用變頻器,把無(wú)速度傳感器控制方式分為4類(lèi):定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補(bǔ)償法;感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算法;模型參考自適應(yīng)(MRAS)法;轉(zhuǎn)子磁鏈角速度計(jì)算法。其中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算法和轉(zhuǎn)子磁鏈角速度計(jì)算法是基于電機(jī)數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速,屬于開(kāi)環(huán)計(jì)算轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速計(jì)算的精確度容易受到干擾,而定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補(bǔ)償法與MRAS法是基于閉環(huán)控制作用構(gòu)造轉(zhuǎn)速,可以抑制這種干擾。定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補(bǔ)償法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,已在一些變頻器產(chǎn)品中得到應(yīng)用,但所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確性欠佳。MRAS法則基于轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)電壓模型與電流模型構(gòu)造轉(zhuǎn)速辨識(shí)模型,算法簡(jiǎn)單,能實(shí)時(shí)跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。在此結(jié)合應(yīng)用SVPWM技術(shù)構(gòu)建了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng),采用MRAS法得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速辨識(shí)模型,對(duì)速度進(jìn)行估算。利用Matlab/Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的性能。

  l 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估算

  1.1 轉(zhuǎn)子磁鏈的估算

  在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向異步電機(jī)元速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)子磁鏈難以直接測(cè)量。實(shí)際采用的是其觀測(cè)值,只有當(dāng)觀測(cè)值與實(shí)際值相等時(shí),才能達(dá)到矢量控制的有效性。因此,準(zhǔn)確的獲得轉(zhuǎn)子磁鏈值是實(shí)現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵。

  按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型可推導(dǎo)出磁鏈的計(jì)算公式如下(推導(dǎo)過(guò)程略),其中磁鏈的估算包括其幅值和角度。

公式

  式中:ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈;ωs為轉(zhuǎn)差角速度;ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;isd,isq為定子d,q軸電流;Tr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù),Tr=Lr/Rr,Lm為定轉(zhuǎn)子互感;Lr為轉(zhuǎn)子電感;Rr為轉(zhuǎn)子電阻;θ為磁鏈角度,P=du/dt。

  1.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估算

  采用MRAS方法對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行估計(jì)?;舅枷胧牵涸诋惒诫姍C(jī)兩相靜止坐標(biāo)系下,以不含有轉(zhuǎn)速變量的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)電壓模型為參考模型,含有轉(zhuǎn)速變量的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)電流模型為可調(diào)模型,利用波波夫超穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)自適應(yīng)辨識(shí)規(guī)律,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行估計(jì)。異步電機(jī)兩相靜止α,β坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型如下兩式所示:

公式

  式(2)不含有轉(zhuǎn)速變量,作為參考模型,式(3)含有轉(zhuǎn)速變量作為可調(diào)模型。在設(shè)計(jì)模型參考自適應(yīng)律時(shí),將電流模型轉(zhuǎn)速變量看成常數(shù)作為參考模型,式(3)作為并聯(lián)估計(jì)模型:從而得到誤差方程:

公式

  依據(jù)波波夫超穩(wěn)定性理論求解穩(wěn)態(tài)誤差,設(shè)計(jì)出比例加積分的自適應(yīng)律為:

公式

  式中:ki,kp為可調(diào)系數(shù);ω0為給定估算轉(zhuǎn)速初值,可以任意給定,取ω0=0。至此,構(gòu)建出基于模型參考自適應(yīng)方法的轉(zhuǎn)速辨識(shí)模型。

  2 仿真模型的建立

  異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)如圖1所示,主要包括三相異步電機(jī)模塊,SVPWM模塊,PI模塊,坐標(biāo)變換模塊,轉(zhuǎn)子磁鏈估算模塊,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估算模塊,逆變器模塊等。該系統(tǒng)主電路采用SVPWM調(diào)制逆變器,控制電路中,給定轉(zhuǎn)速與估算轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)速度調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩,與估算磁鏈值計(jì)算得到電流isq,經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器,再經(jīng)過(guò)PARK逆變換得到兩相靜止電壓,經(jīng)過(guò)SVPWM調(diào)制,控制逆變器電壓輸出,進(jìn)而控制三相異步電機(jī)。SVPwM控制的基本思想是將電機(jī)與逆變器看成一個(gè)整體,最終在電機(jī)內(nèi)部形成圓形磁場(chǎng),以達(dá)到更好的控制效果,SVPWM控制的仿真模型如圖2所示。

異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)

SVPWM控制的仿真模型

  異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈依據(jù)式(1)估算,仿真模型如圖3所示。異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估算模型如圖4所示,依據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)電壓模型與電流模型,采用MRAS法辨識(shí)。在仿真調(diào)試過(guò)程中,加入一階傳函近似為低通濾波器,對(duì)輸出估算轉(zhuǎn)速進(jìn)行處理。仿真結(jié)果有明顯的改善。

仿真模型

異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估算模型

  3 仿真結(jié)果分析

  無(wú)速度傳感器矢量控制仿真系統(tǒng)所采用電機(jī)的參數(shù)為:Pn=2.2 kW,Rs=O.435Ω,Rr=O.816Ω,Lm=0.0693H,L1s=L1r=0.002H,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=O.02kg·m2,極對(duì)數(shù)Np=1。電機(jī)空載運(yùn)行,初始給定速度為120 rad/s,當(dāng)t=O.5s時(shí),改變速度為60 rad/s。在啟動(dòng)時(shí),當(dāng)t=O.1-2s時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速就達(dá)到了穩(wěn)定,當(dāng)給定速度在t=O.5s時(shí)發(fā)生變化,轉(zhuǎn)速輸出在t=O.56s時(shí)再次達(dá)到穩(wěn)定,仿真結(jié)果如圖5所示。

仿真結(jié)果

  從仿真結(jié)果圖可以看出該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能,能實(shí)時(shí)跟蹤電機(jī)實(shí)際速度的變化。

 

  4 結(jié)語(yǔ)

  基于MRAS方法構(gòu)建異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速辨識(shí)模型,與SVPWM技術(shù)相結(jié)合,在Matlab/Sireulink環(huán)境下設(shè)計(jì)出異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真,驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速,具有良好的動(dòng)態(tài)性能,對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)具有一定的理論指導(dǎo)意義。但在電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,電機(jī)參數(shù)會(huì)隨著運(yùn)行環(huán)境的變化而發(fā)生改變,這時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈與速度的估算就會(huì)不準(zhǔn)確,因而在對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用研究中,有必要對(duì)轉(zhuǎn)子電阻進(jìn)行在線(xiàn)辨識(shí),從而準(zhǔn)確估算出轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)速。為了提高無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)的性能,對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)是今后研究的一個(gè)方向。

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