异步电机转子磁场定向无速度传感器矢量控制方法

1、ISSN 100020054CN 1122223 N清华大学学报(自然科学版J T singhua U niv (Sci &Tech ,1999年第39卷第3期1999,V o l .39,N o .323 348487异步电机转子磁场定向无速度传感器矢量控制方法3周友，黄立培，陈杰，李永东清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084收稿日期:1998207206第一作者:男,1973年生，硕士研究生 3基金项目：国家攀登计划B (85235文摘为解决低速下无速度传感器矢量控制速度辨识效果差的缺点，基于一 种电压直接控制的矢量控制结构，设计了一种无速度传感器的控制方案。该结构采

2、用转子磁场定向，实现磁链与转矩的解耦控制，利用模型参考自适应方法的原理，对转 矩的误差项采用此例积分自适应机制，获取速度信号,实现速度闭环控制。实验结果 表明，该方法实用简单,在低速下可获得良好的性能。关键词 异步电机控制；通用变频器；无速度传感器；矢量控制分类号 TM 30112在高性能异步电机控制系统中，速度闭环是必不可少的。然而由于速度传感器在安装、维护、低速性能较差等方面影响了异 步电机调速系统的简便性、廉价性及系统的可靠性，人们提出了设计无速度传感器 的速度闭环控制系统。其核心问题是对转子的速度进行估计，控制系统性能好坏将 取决于合理的控制方案与速度辨识环节的恰当结合。基本的出发点是

3、利用直接计 算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从定子边较易测量的量如定子电压、 定子电流中提取出与速度有关的量，从而得出转子速度，并将它应用到速度反馈控制 系统。国外70年代末就已经开展了这个方向的研究。目前较典型的估计算法有1:利用电机方程式直接计算法；模型参考自适应法；扩展卡尔曼滤波法；定子侧电量FFT 分析法；非线性方法。但这些方法大多从理想条件下的电机数学模型出发，在不同程度上依赖于电机的参数和运行状态。当电机参数变化时，系统控制性能变差而且有 些方法过于复杂，给具体方案的实现带来了很大的困难。本文基于一种电压直接控制的矢量控制结构，设计了一种无速度传感器的控制 方案。利用模型参

4、考自适应方法的原理，对转矩的误差项采用比例积分自适应机制 获取速度信号，实现速度闭环控制。该方法实用简单，在低速下达到了良好的性能。1转子磁场定向无速度传感器矢量控制原理1.1电压直接控制的矢量控制结构利用复数空间向量的形式，同步旋转坐标系下的异步电机数学模型为：U 1=R 11 1+j S 171+p 71,U 2=R 21 2+j S 272+p 72.71=L 1I 1+L m I 2,(172=L 21 2+L m I 1.(2T e =n p 72 I 2 z =n p 71 I 1 z(3式中:U为电压复数空间向量,U =U d +j U q ;I为电流复数空间向量,I =I d

5、+j I q ;7为磁链复数空间向量,7=7d +j 7q ;T e为电磁转距；下标1表示定子侧的量；下标2 表示转子侧的量；日为同步旋转角速度，即定子角频率；E为转子角速度；S S为转差 角速度,S S =SS2;R 1为定子电阻；L 1为定子电感；L 2为转子电感；R 2为转子电 阻；L m为定转子互感；n p为极对数。若选择定子电流与转子磁链矢量作为状态变量，则方程(1(2与(3可化为：艺P dI1d t+I 仁-j S 1艺 P I 1+K 艺 r PNjr (12 艺 r 72+1r PU 1(4 艺 r d 72d t+72=-( SIS 2艺 r 72+L m I 5(T e =

6、n p K r 72 I 1 z(6式中：艺 P =P L 1r P,r P =r S +K 2r R 2,K S =L m L1,K r =L m L2L 2R 2（转子时间常数,P二K S K r （漏磁系数,工r = P L 2R 2。式（4可整理为 艺P d I 1d t +1仁K艺r P艺rj2也1 2J-KJU r P艺rj S 2 艺 r 72（7按转子磁场定向时，有?2d =?2,?2q =0,式（5的d、q轴方程分别为吝 d 72dd t+72d =L m i 1d（8-S S 艺 r 72d +L m i 1q =0（9式（6化为T e =n p 1R 2 S S 722d

7、 =n p1R 2S S 722=n p K r i 1q 7(10将式(8与(9代入式(7并分开实虚轴写，得艺 P 艺 r L m d 272d d t + 艺 P L m + 艺 r L m d 72d d t+1L m K 艺 r P 艺 r 72d =1r P (U 1d + S 1 P L 11 1q(11 艺 P d i dqt +i 1q =1r P(U 1q -S 1 P L 11 1dS 2K r 72d(12针对(11与(12作如下定义V 3s d =U 1d + S 1 P L 1i 1q(13V3s d=U 1q -S 1 P L 1i 1d-S 2K r 72d(14

8、再定义V d 补偿=S 1 P L 1i 1q(15Vq补偿=-S 1 P L 1i 1dS 2K r 72d(16则有U 1d =V 3s d -V d 补偿(17U 1q =V3s q-Vq补偿(18则可将V 3s d、V 3s q作为输入控制量，达到磁链与转矩的解耦控制，见图1,实现了磁链与转矩的解耦控制。图1转子磁场定向电压直接控制的矢量控制这里得到了矢量控制的另一种结构。它具有以下几个特点：1结构采用一种转子磁场定向的电压直接控制的矢量控制方法，其调节器采用线性控制器。2该方法同直接转矩控制一样，整个结构没有采用电流环，但也实现了磁链与转矩的解耦控制。1.2无速度传感器矢量控制的速度

9、辨识方法在图1所示的矢量控制系统中，增加速度辨识环节即构成无速度传感器矢量控制系统，如图2所示。图中所有调节器均采用线性PI调节器。速度信号利用模型参考自适应方法的原理，采用比例积分自适应机制从转矩信号的误差项获取速度信号，实现速度的闭环控制。其中T e认为是参考模型,T 3e认为是可调模型。利用两模型输出值的误差去调整可调模型T 3e中的S r值,直到两模型输出值相等，即认为此时的S r为实际转速。从 该方法的原理可以看出,T e是否可以准确获得，即参考模型是否准确，将直接影响到 速度辨识的效果。而转矩计算的准确度直接依赖于磁链。因此，对于无速度传感器矢量控制方法，磁链观测器的设计更加重要。

10、图2转子磁场定向无速度传感器矢量控制方法速度辨识调节器Sr3T eT e2系统构成图3给出了控制系统的功能框图。PC主机作为整个控制系统的工作核心，承担 着系统管理、多机通讯、用户界面和硬件设备驱动等功能。具体实现时，A D采样、PWM脉冲生成、用户界面、速度测量和C 30D SP控制均由PC机来完成。C 30D SP浮点数字 信号处理板作为下位机主要用于完成控制算法、参数辨识及状态观测等计算任务。 在实际运行中,PC机与C 30并行工作。系统设计主要包括以下两大部分。2.1输入输出数据流的硬件设计1A D转换无须主机的实时干预，而以输入数据流（Inp u t D ata Stream的形式提

11、供给PC机。2脉宽调制（PWM控制脉冲生成采 用了输出数据流”的设计结构,PC机一次性将一个控制周期的所有时间常数写入硬件 电路,由硬件时序和定时器来完成PWM脉冲的触发。58周 友，等：异步电机转子磁场定向无速度传感器矢量控制方法运行指令图3系统功能图仿真环境（M atlab和C语言P WM控制数据流参数调整及显示采样数据P WM控制P WM控制指令控制及状态参数数据流状态监视数字示波器T M S320C30DSP 板（参数估计和控制算法D A 口双口 RAM驱动电机P WM及I O板A D板电机模型系统仿真器主机486用户界面输入数据流和输出数据流性质的10接口设计使PC机从沉重的实时中断

12、中解 放出来，使得PC机在对外设的操作上变得方便与简捷。2.2混合仿真模式的软件 设计混合仿真模式是一种介于纯算法仿真和具体实现之间的仿真模式。对于控制算 法的执行机构（这里是C 30D SP本身而言，其输入为检测反馈信号，输出为PWM控 制指令。由于采用了 数据流”的概念，从协处理器的角度出发根本无需也无法考虑 获得的反馈数据是来源于何处，其发出的控制指令是去往何方。只要满足一定的接 口格式，协处理器就根据输入的数据流给出输出的控制数据。这就构成了混合仿真 模式的基础。具体实现时，如果在PC机上建立一个和实际异步机和逆变器系统相类 似的仿真模型，而根据D SP给出的PWM控制指令,计算出被检

13、测的物理量送给 D SP板,就可以完成验证实际控制算法实施效果的仿真。由于本控制系统在硬件设计 时采用了基于 输入输出数据流”模式的输入输出技术，从而为上述仿真思想的实现 提供了良好的硬件基础。采用了实际代码仿真，可以及时将可能的事故隐患排除在 主回路加电前，可以减少实验调试的风险。而且由于反馈环的加入，更新算法、修改 算法的周期可以大大减少。实验证明，该方法对提高编程效率及系统可靠性，以及快 速有效地调试系统具有重要意义。3实验结果与分析基于前面所述的控制方案，在一台型号为J 20223124,Y接380V ,额定功率为2.2k W ,额定电流为4.9A，转速为1430r m in，频率为5

14、0H z的异步电机上进行了实验研究。控制周期取160 As。直流电压为100V。图4给出了 4H z空载启动时速度有一些振荡时的结果,以检验过渡过程中速度辨识算法的有效性。从图4(a速度实际波形与图4(b速度辨识波形的比较可以看出，速度辨识刚开始有一定的误差，但很快辨识 的速度就与实际速度一致了。图 5和图6分别给出了频率为5H z和1H z时的空载 启动波形(aI_>&y<1 1r八弓>Jlwnet实际速度与相电流(b辨识速度与相电流图 4 4H zCi空载启动波形(a速度与相电流(b辨识速度与相电流图5 5H z空载启动波形68清华大学学报(自然科学版 1999,

15、39(312 A 28 rTnin-1T12 A 28 r*min实际速度与相电流(b辨识速度与相电流图6 1H z空载启动波形4结论本文提出了一种电压直接控制的矢量控制结构。该结构的特点是没有直接的电 流环，只有转矩环与磁链环。基于该矢量控制结构，设计了一种无速度传感器矢量控 制方案，利用模型参考自适应方法的原理，采用比例积分自适应机制，从转矩的误差项 获取速度信号，实现了速度闭环控制。在一套I BM 2PC机与D SP (TM S 320C 30构 成的异步电机控制系统上实现了该方案，并在一台2.2k W异步电机进行了实验。结 果表明，所提出的无速度传感器控制方法实用可靠，低速下达到了较好

16、的性能。参考文献1喻辉洁，东伟，李永东，等.无速度传感器交流调速系统速度估计策略分析.电工电能新技术，1997(2:23272V as P.V ecto r Contro l A C M ach ines .N ew Yo rk:O xfo rd U n iversity P ress,199030 h tan i T ,T akada N ,T an aka K .V ecto r con tro l ofin ducti on mo to rw ithou tshaftencode .IEEET ran sacti on s on Industry A pp licati on s,199

17、2,28(1:1571644周友基于通用电机控制系统的异步电机控制方法的研究:硕士学位论文清华大学电机工程与应用电子技术系，199816Study on rotor f lux -or ien ted speed sen sorless vector con trol m ethod of i n ducti on m otorZHOU You ,HUANG L ipe i CHEN J ie 丄 I YongdongD epartm en t ofE lectrical Engineering,T singhua U n iversity,Beijing 100084,Ch inaAbstr

18、act Speed senso rless vecto r con tro l is the key tech n ique in h igh 2perfo r m ance app licati on .In o rder to i m p rove the perfo rm ance of speed esti m ato r at low speed,a speed senso rless contro l m ethod based on a no vel vecto r contro l is p ropo sed .Ro to r flux o rien tati on is adop ted to realize flux and to rque decoup ling .Speed esti m ati on is obta ined acco rdi ng to the erro r info r m ati on of to rque th rough a p ropo rti onal in tegrati on adap tive m echan is m based on the theo ry of model refere