异步电机无速度传感器矢量控制四种转速估算方案低速带载性能对比研究

1、202异步电机无速度传感器矢量控制四种转速估算方案低速带载性能对比研究异步电机无速度传感器矢量控制四种转速估算方案低速带载性能对比研究尹忠刚，杨立周，钟彦儒 (西安理工大学电气工程系，西安710048)摘要：本文对异步电机无速度传感器矢量控制电压模型转速估算方案、电流模型转速估算方案、转矩电流误差转速估算方案及模 型参考自适应转速估算方案进行了研究，对四种转速估算方案的低速性能进行了实验，并从起动转矩、通用性及算法复杂度3个方面对 四种转速估算方案进行了综合比较与评价。关键词：无速度传感器；转速估算；电压模型；模型参考自适应1引言器矢量控制电压模型转速估算方案、电流模型转速估算方案、转矩 由于

2、不需要价格昂贵、不易维护的速度传感器，无速度传感器电流误差转速估算方案及模型参考自适应转速估算方案的原理进矢量控制系统以其独特的优势，吸引了国内外学者的广泛关注i-：zl。行分析。 经过二十多年的发展，感应电机无速度传感器矢量控制系统的研21基于电压模型的转速估算 究取得了令人瞩目的成果，在中高速区域已经得到了应用，但是在 根据感应电动势与磁链变换率的关系，取电动势的积分就可 某些如矿井提升机、大型的拉丝机、轧机等需要低速大转矩的工业以得到磁链，因此，称为电压模型。 应用场合，控制性能还很难满足人们的要求，同时新生产技术与新 两相静止坐标下的转子磁链模型由式(2)所示，由式(2)可以 型加工原

3、料的出现，也对无速度传感器矢量控制系统低速性能提得出基于电压模型估算转速的结构框图如图2所示。 出了更高的要求。可以看出，电压模型法转子磁链观测器实质是一个纯积分器，针对上述需求，本文对异步电机无速度传感器矢量控制电压 优点是：a)算法简单b)算法不含转子电阻，因此受电机参数变化 模型转速估算方案、电流模型转速估算方案、转矩电流误差转速估 影响小；c)不需要转速信息，对于无速度传感器颇具吸引力。但是， 算方案及模型参考自适应转速估算方案进行了深入研究，并对四 在低速时，纯积分环节、定子电阻压降等问题使得电压模型的使用 种转速估算方案的低速性能实验结果进行了对比研究。存在一定的局限。2异步电机无

4、速度传感器矢量控制系统转速估算方案 =PL m -Rsi)at-ozia 转子磁通的相角能和转子转速以及转差之间的关系为：(2)仍=f匆出=f(q帆)出(1) = 一k一k P。L “扑” 蚝b 一墨“),tt-oLsi,卢器札F图2基于电压模型估算转速的结构框图图l无速度传感器矢量控制系统框图 由式(1)可以看出，如果能观测出转子磁通角仍，并计算出转差q。，则可以估算出转速。 无速度传感器矢量控制系统框图如图1所示。速度估算是系统中最关键的环节之一，速度估算的准确性直接影响到调速系统 的动、静态特性，特别是低速性能。以下将对异步电机无速度传感图3基于改进电压模型估算转速的结构框图作者简介：尹

5、忠刚男1982年生，讲师。博士，主要研究方向为高性能交流调速系统与电力电子变换器数字化控制。针对电压模型的纯积分环节引起的误差，用一阶低通滤波器杨立周男，1985年生硕士研究生，主要研究方向为高性能变代替纯积分环节。基于改进电压模型估算转速的结构框图如图3频调速系统控制策略。所示。钟彦儒男，1950年生，教授，博士生导师，主要研究方向为交流传动与新型电力电子装置。22基于电流模型的转速估算中国电源学会第十九躬学术年会论文集 203在日相静t±标下输出自与转子破链的荚系如式(3)所MRAS是一种gf稳定性设计参数辨识方法，挥T参数辨识渐进收敛。其±要目想是将吉未知参数方程作为

6、参考 模g，而将古有待辩识参敬方#作为月模g，利月目十模d具卜2赤“r哨n，)有相同物理意女白勺输iB嚣的*差构成合适白勺自适应律来实时橱节日调模女待辨识的参数最终a到控制对象的输出跟踪参考模gh=南(+q)目。月幅静m±标±白勺转子m链m压横女日H袁i*式(2)。其中，为漏磷系数，口=l一(ku)。两相静止坐标上的转子碰链电流楗女日m表示*式(3)。其中，为转时目常数，C=，耳。 从t式日u看出，电模女和电流模g具有相同物理意义的 棺置转fm链，*且自甩匿女目转速无荚目此将自模作为 参考模g，将含有电机转速的电流摸作为日月横，利用月个模目4基f电流模d估算转速的结构框目

7、i现转子碰链误差桕戚台适的自适应辜m谢节日月横女参 基f自流嚣g估算转速的结构框图如目3所币。效当误差趋于零时估算转建f实R转4原理框图如图6所 从理论上说，电流模型可“算出零速时的转于盛通目此对低 示。速暖具吸力。但自南嚷臼奇转子时目常数该参数具有a著 =ji五iP 的时变特性，当电机长时间低擅运行时，谖参数会大范围变化，严。I广矗。 重影响磁链观测精度。由t田日“看电流摸g对鞋鞋盼m测蓓要转速信息，过是电淞畦在无速度传感器矢量控翩系统中最大的缺点。因为，在某些工况下或者系统的固有振荡由f系统。_J一!壁!_固有振蔼，电机电流会发±振荡+目此估算的转速必然舍受到目有一亘面ip一振蔫

8、的影响再用过十转速去观测磁链，会形成恶性循环加剧系目6基f MBAS白勺4估算原理框月统的振荡。23基于转矩电漶误*的转镕估算3实验对比研究对f*环转建f捧系统自机的参数发±变化时，估算转速 在m英飞受XEl64FM为内核的产8平台±对异步电机元速 的准确度必然会受到髟响，而采用团环控帮可“有效抑锎这种影 度传感器矢量控制自压模2转建估算方案、电流模转速估算方 响。H闭环#制转速估算基$思想基于某些量误通 案、转矩电流误差转速估算方案厦模女垂考自适应转速估算方案过n调节器获得转速信息。进行T实§究。 煞#方法争n调节器的辅人量为转电流给定值与实R值3'基f

9、电压模型转速怙算实验结$鞋分析之差，输出量为转建辨识值。菇若系式如下式：田8给出T系统空载行时+给定转速从+15 rpra，+75rpm 到一75npm到一ISrpm变化时的电流波彤，“看出电机E转垃鼠=(+粤)畦一)(4霉切换时，电流无相位突变自振蔼，日H实现z匣转的平*换。圈7给出了§载运行时蛤定转速从+15删到+75rpm变化时转建的响应鼢。H目中日“看ii，估算转镕蒯E好的跟错定转速。订心fj+njl獭蛾岭曦?o二汪jjjrj、一2。 。，。【=一v田7+lSrpmN+75rpm变圉8“5mm帅mm到45口m目L化时转建波形15rpm变佑H输出电巍马粕EaHB圈5基f转矩电流

10、误差估算转速的无速度传感节“一一器*量控制系统框圈圈5给出了基于转矩电流误差的转建估算方案系统框图可喇渊扒mw“看出这种转速估算方寮结构简单。在转矩自励碰完全解辑情的运动学方程为基转速的动态过程依齄f电气传动系统的转一loudly况下，稳态时目“获得无差的转速信息。但是诙方案“感应电机 4动惯量#负载目n参数目具体教值T像一般的H调节器郡图9Srpm运行时，突加150的额定负载响应E形样窖易设计，R能参考转动惯量的划崃试凄在调试中§后确圈9给出了15rpm空载运行时，突加150额定负载时响应波 定。形，可H看出，突加负载后，转电流迅4t井同时输出电流变24基f模型参考自适应的转矗怙算

11、太且报快达到稳态。由“上的分析可知，基于改进电压摸型转204异步电机无速度传感器矢量控制四种转速估算方寨|氐速带载性能对比研究建估算方案的无建度传瞎器*量控制系统能较快的响应给定转 “j。，。V。“：?”载动裹响应良纸脚“”“雕达到“鞭定8。y辅黼IIr*" 4-一“-3,2基于电流幢型转遘估算实验结晕豆分析vL ”一。J 7 “ pu¨ 一岫机图14 15rpm运行时，突加月15 9rDro行时，突加。 濑蹴z”。” 粼扮m 180的额定负载响应波形 180的额定负载响应波形。m一 ，m一、用10】5Ppm运行时，突加固11 9聊n运行时，突加】00 150额定负载响应波

12、形的额定负载响应渡形固lO蛤mT蛤定转速15rpmi载行时，突加1加”额定负载时响应渡形可阱看出突加负骺，转矩电流迅速上升，同时输出电流变大。H推决达到稳志。由“±分析日知，基电流模型转自懈的镕；i盏铲“”“1髓度f感器矢量控制系境能较陕的响应给定转速豹变化，加载；暗i*HgHI日i响应嘶，15rpm(n5Hz”达到1啪自额定。自#自女t日*#f自q*自§#自*自自#目n，#m图11给出T蛤定转速帅时船载起动和稳态运行时雍帧载b自Io#口§Pl* 口g#*口*R#自*的被形日“看出，基于电流漠型转速估算的盂建蠹嗡喀器矢量控制，J、ttdm十目自自系统加藏动态响应辅

13、*口m(03Hz)能达到lOD的额定糍。33基于转矩电流误差转速估算实验结果爰分析母12培出了系统15rpm空载运行耐，蜘1撕糍定负载根据袭l中的咎项性能评价指标综台辕四种转建估算方时的电流和转矩瘟形+由图日“看出，突加负载后，转矩电流迅速 赛可“看出基fMP,AS的转速佑算方案具有最好的投低建性能。 上升同时输出电流变大且很快达到稳志。由“上的分析可知基 基T改进电压睦型转速估算方案的通用性最好，但是在橙低速区 于转矩电辩涅差转建估算豹无逮度传感器矢量控制系统能快速的 域时PI参数及开美频卑比较敏感极低建性能较差；基f电藏攥 响应转建给定的变化加戴动态响应良好，15口m(n5m)能达到 转蘸

14、估算方寨的概低速性能和稳定性略位于改进电压模型方160的额定转矩，”p 1V“ 一 塞，但是电机长时问低速运行时转子电阻的变换范阿较大，且基于电流模型的转速估算方寨在负载尢范睛变化自虹况下不粒单独使用基f转矩电流谓差舶转速f自算方案极低建性能优于电流模型方一警i椭删晰。一一”“删W耖一一： 案，授抵建稳定性较好。但居转建f占算用H参数的选取与系统晰动惯量有关，R髂茁确定的I况下通过诵试取；基于MRs的转建估P“-一。pv一一、算方案腿低莲性能怃于其它=种方案，属f闭环转速估算藤，对电机参数变化的敏臻暾豫但黜比较夏杂。图12 15唧运行时突加图13鲫m运行时。突加120在目前国内外的变频器产品中

15、。电压横法使用较多但是随160的额定负载响应渡形的额定负载响应渡形着研究的T断耀基f转矩电流误差的转速估算方案和基于图13蛤出T靛转速9胛时加载起动自稳志运行时宪加盎载MRAS的转莲估算方案的应用也会越来越多。的渡形可以看出基f转矩电流谩差转速估算的无速度1专感喉量控制系统，加茕动卷响应船9p|ll(Hz)能达到12惭的额定矩。 4绪论34基于模型参考自适应转速估算鲥播结果殛分析本文对异步电机无建度传盛器矢量控制电压模!转速估 图14蛤出了系统15mm空载运行时，亮加180的额定负载算方案、电流模型转莲估算方案、转矩电梳误差转建估算方案 时电流和转螺渡形。由图可“看出，突加负载后，转矩电流m速

16、t爰横型参考自适应转速估算方案进行T深研究，对日种转速 升，同时输出电流变太，且很快达到稳态。由以上的分析可知，基干估算方案的低速性能宴验结果进行了对比研究，井从起动转 横!参考自适应转建估算的无速度停感器矢量控制系统能快速响矩、通用性厦算法复杂度3十方面对口种转速估算方案进行T应蛤定转速的变化，加袭动态响应良好，15rpm(O 5Hz)能达到综台比较与评价。 180的额定转矩。阁15给出了9rpm(03Hz时加载起动和稳卷i行时突加负参考文献载的泼形，可u看出，基f模型参考自适应转速估算的无速度传感器矢量控制系统，加蔻动态响应矗斟9rpm(03)能迭到l n勘卅y M Gadom，I岫nI¨GI John W FinohMFAS轴n$odcVtor C,o呻d d¨Induc6m Mm"Using New的额定转矩。3 5日种转魂估算方案技术性健对比与谭价sljd·nrMde拍d F岫一