基于改进MRAS观测器无速度传感器感应电机转速估计方法

1、基于改进M RA S 观测器无速度传感器感应电机转速估计方法王高林,于泳,陈伟,徐殿国(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001摘要:为了提高无速度传感器感应电机矢量控制系统的低速性能,提出了一种改进的转速估计方法。由于转速自适应观测器是一个具有非线性并且较复杂的模型,将两相静止坐标系中的观测器输出误差系统变换到转子磁场旋转坐标系中,通过推导出的单输入单输出误差系统来得到满足观测器稳定性条件。同时对定子电阻进行在线辨识以提高系统的鲁棒性,采用了一种改进的定子电阻自适应率。通过11kW 感应电机无速度传感器转子磁场定向矢量控制实验平台验证了所提出方案的有效性。关键词:感应电机

2、;模型参考自适应系统;转速估计;定子电阻辨识中图分类号:TM346文献标识码:AImproved Speed Estimation Method B ased on MRASObserver for Sensorless Induction MotorWAN G Gao 2lin ,YU Y ong ,CH EN Wei ,XU Dian 2guo(School of Electrical Engineering &A utomation ,Harbin Institute of T echnology ,Harbin 150001,Heilongjiang,China Abstrac

3、t :An improved speed estimation method was proposed to improve the performance of sensorless vector controlled induction motor drives.The observer error system is translated into synchronous reference frame to avoid the nonlinear and complicated dynamics of the estimator.And the stability conditions

4、 can be a 2chieved through the single 2input and single 2output error system.To improved robustness of the observer ,the stator resistance is identified synchronously based on an improved adaptive mechanism.The feasibility of the proposed scheme is verified by the experimental results of speed senso

5、rless field 2oriented vector controlled 11kW induction motor.K ey w ords :induction motor ;model reference adaptive system ;speed estimator ;stator resistance identifi 2cation.作者简介:王高林(1978-,男,博士研究生,Email :WG L8181引言近年来,感应电机无速度传感器矢量控制技术在各种工业场合应用广泛,并且获得了很大进展15。目前转速观测方法基本上可以分为基于电机模型计算法、PI 调节器法、MRAS 模型

6、法、MRAS 观测器法、卡尔曼滤波器和神经网络等方法。其中基于MRAS 全阶观测器的转速估计方法受电机参数变化和噪声干扰的影响较小,具有较好的鲁棒性,受到了国内外研究人员的广泛关注。这种方法实现了状态的重构,可以采用稳定性理论来设计转速自适应率,并且通过设计合适的误差反馈矩阵来保证观测器的稳定性。可以同时对定子电阻进行在线辨识,以降低定子电阻参数变化对于观测器低速场合的准确性的影响46。本文提出了一种改进的转速和定子电阻自适应的全阶观测器,并给出了满足观测器稳定性的误差反馈矩阵的设计方法,最后在11kW 感应电机无速度传感器转子磁场定向矢量系统进行了应用。2感应电机全阶观测器在两相静止坐标系下

7、,如果将定子电流和转子磁链作为状态量,异步电机模型的状态方程为d d t i s r=A 11A 12A 21A 22i sr+B 1u s (151EL ECTRIC DRIV E 2009Vol.39No.1电气传动2009年第39卷第1期i s=C10i sr(2其中i s=i si sTr=rrTu s=u su sTA11=a1IA12=a2(1r I-r JA21=L mrIA22=-1rI+r JB1 =1L s IC1= II=1001J=0-110a1=-(R sL s+1-ra2=L mL s L rr=L rR r=1-L2mL s L r式中:i s,r,u s分别为定

8、子电流、转子磁链和定子电压矢量。如果将定子电流误差e i作为反馈量,则可以构建全阶自适应观测器,结构框图如图1所示。图1MRAS全阶观测器框图Fig.1Scheme of MRAS full2order observer图1中,e i通过误差反馈矩阵G构成渐进状态观测器,同时通过自适应观测器来对转速和定子电阻进行估计。以i s和r为状态量的全阶闭环观测器可以表示为d isd t=A11is+A12r+B1us-G1(is-i s(3drd t=A21is+A22r-G2(is- i s(4其中G1=g1- g2g2g1G2=g3-g4g4g3式中,转速是未知的参数,并将定子电阻看作是变化的参数

9、。通过式(1、式(3和式(4可以得到观测器的状态误差方程为dd te i=(A11-G1e i+A12e+-R sL s I is+-r L mL s L r Jr(5dd te=(A21-G2e i+A22e+r Jr(6式中:e i,e分别为定子电流和转子磁链观测误差,e i=i s-is,e=r-r;r,R s分别为转速和定子电阻的观测误差,r=r-r,R s=R s-Rs。将式(5和式(6进行拉氏变换,经过推导可以得到e i与r和R s的关系式:e i(s=G e(sL mL s L r Jro(r-r-1L s I is(R s-Rs(7其中G e(s=ss2I+(k1I+k2Js+

10、k3I+k4J(8k1=g1+1(R rL r+R sL sk2=g2-rk3=r(g2+L m g4L s L r+1r(g1+1s+L m g3L s L rk4=-r(g1+1s+L m g3L s L r+1r(g2+L m g4L s L r3转速估计方法3.1转速自适应率及误差增益矩阵设计转速是通过对转矩误差信号构成一个自适应环节进行观测的,采用PI自适应率以提高观测器的输出动态性能,转速自适应率表达式为r=(k p1+k i1d t(e isr-e isr(9在转子磁场坐标系下,观测器输出误差的开环传递函数可以表示为e i de i q=G 11(sG12(sG21(sG22(s

11、r(r-r(10 由于只有q轴输入分量含有转速误差信息,另外考虑到在转子磁场坐标系中分析转速自适应非线性环节时,只涉及q轴误差分量,只需通过G22就可以分析转速观测系统的稳定性。可以得到转速观测器的单输入单输出系统,如图2所示。图2转子磁场旋转坐标系下的SISO误差系统框图Fig.2SISO block diagram of current and speedobserved errors at rotor flux frame传函G22可以表示为G22=L ms3+k1s2+(2s+k3s+2s k1+s k4L s L r(s4+b1s3+b2s2+b3s+b4(1161电气传动2009年

12、第39卷第1期王高林,等:基于改进MRAS观测器无速度传感器感应电机转速估计方法其中b 1= 2k 1b 2=k 21+k 22+2(k 3-s k 2+s b 3=2(22s k 1+2s k 4+k 1k 3+k 2k 4b 4=(k 3-s k 22+(k 4+s k 12通过式(11可以方便地采用Rout h 2Hurwitz 判据来获得满足转速观测稳定性的条件。3.2定子电阻在线辨识方法选择定子电阻自适应率的输入误差信号为Rs =-(e isi s +e is i s -(e is i s -e is i s (12定子电阻仍然采用PI 自适应率来观测:R s =-(k p2+k i

13、2d t Rs(13式(12的自适应率输入误差项包含了电流误差矢量与观测到的电流矢量的标量积和向量积,在标量积和向量积都收敛到零时定子电阻值将收敛到实际值,也就是只有当电流的观测值与实际值一致时,定子电阻的辨识值也是正确的。由式(12可以看出,当=0时,在低速场合可能会导致不稳定。通过选择合适的比例系数,可以改善低速场合观测器的稳定性。根据误差方程,可得到e i 与R s 的关系式为e i (s =-s I i s R sL s s 2I +(k 1I +k 2J s +k 3I +k 4J (14将式(14代入式(13,可以得到Rs 和R s 开环传递函数,开环传函的极点与电机模型的极点一致

14、,为稳定极点。需要设计合适的零点,使开环传函的零点位于复平面的左半面,开环传函具有稳定零点的条件为=-2r s +(1+L 2mL s L rr 1+L 2m L s L r+r (s -r 2(154实验结果分析通过图3所示的11kW 感应电机无速度传感器矢量控制系统对提出的MRAS 观测器进行了验证。采用TMS320F2812DSP 芯片来实现控制算法。实验所用感应电动机额定参数为:P n =11kW ,U n =380V ,I n =23A ,n n =1460r/min 。电机参数为:R s =0.385,R r =0.393,L m =85.7mH ,L s =L r =87.6mH

15、 。DSP 系统时钟设为150M Hz ,PWM 调制频率为10k Hz ,功率模块采用EUPEC 的FP75R12KE3,电流信号检测采用霍尔传感器L18P50D15。为了比较观测性能,通过一个分辨率为1024p 的增量式编码器来检测实际转速。图3无速度传感器感应电机转子磁场定向控制系统Fig.3Sensorless field 2oriented vector controlledinduction motor drive图4为电机空载正反转运行实验结果,在0s 时刻转速阶跃给定为150r/min ,在1.5s 时刻变为-150r/min 。图5为电机带80%额定负载升降速运行实验波形,在

16、0s 时刻转速阶跃给定为75r/min ,在4s 时刻变为750r/min ,在8s 时刻再变为75r/min 。从实验结果可以看出转速观测器输出能够很好地跟踪电机转速的变化,并且稳态误差较小,磁链观测器也具有较好的观测性能 。图4正反转运行实验波形Fig.4Waveforms of forward 2reverse operation图6为负载变化实验波形,电机先带50%额定负载稳定运行,在2s 时刻卸掉全部负载,然后又在4s 时刻突加50%额定负载。可以看出转速观测器的抗负载扰动性能较好,其输出受负载变化的影响很小。71王高林,等:基于改进MRAS 观测器无速度传感器感应电机转速估计方法电

17、气传动2009年第39卷第1期 图5升降速实验波形Fig.5Waveforms of speed increasing and decreasing图6负载变化实验波形Fig.6Waveforms of different load operation 图7为当定子电阻初始值不准确时(人为将初值设为150%,在2s 时刻开始对定子电阻进行在线辨识的实验结果。可以看出定子电阻能够收敛到正确值,当定子电阻误差较大时,电机的运行转速有一定的误差,通过方案中的定子电阻的自适应可以有效地减小实际运行转速的误差。图7转速和定子电阻估计结果Fig.7r and R s estimation result s

18、5结论本文提出了一种基于MRAS 观测器的感应电机转速估计方法,通过分析得到了观测器稳定性条件,并将这种方案应用于11kW 感应电机无速度传感器矢量控制系统。实验结果证明这种观测器具有较好的稳态和动态性能,抗负载扰动能力较强等优点,通过在线辨识定子电阻参数,观测器的鲁棒性得到了改善。参考文献1Joachim Holtz.Sensorless Control of Induction Motor DrivesJ .IEEE Proceedings of t he IEEE ,2002,90(8:1359-1394.2Hisao Kubota ,K ouki Mat suse ,Takayoshi Nakano.DSP 2based Speed Adaptive Flux Observer of Induction Motor J .IEEE Transactions on Industry Applications ,1993,29(2:344-348.3Yang Geng ,Chin Tung Hai.Adaptive 2speed IdentificationScheme for a Vector 2controlled Speed Sensorless Inverter 2induction