无速度传感器矢量控制系统研究_刘慧博

∫
利用电动机转矩电流的给定值 i 速度调节 q( 器的输出 ) 与实际值 i q之差的积分来作速度推算 。 如图 4 所示 。
＊
3 仿真结果
系统的电动 机模型主 要参数 为 : 电 动机 380 V , 50 H z , 二对极 , R 0. 435 Ψ , L 0. 071 H ,R s= s= r= 0. 816 Ψ , L . 071 H , L . 069 H , J=0. 2 r =0 m =0 k g · m , 逆变器直流电压为 510 V , 漏磁系数 σ =1 · 678·
图 2 串, 不是根据转子磁链 · 677·
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的电压模型来计算转子磁链矢量 Χ , 而是根据定 r 子电流矢量 i s, 转子磁链矢量的估计值 Χ r来计算 定子电压矢量 u , 我们把这种计算定子电压的数 s 学模型称 为逆电压 模型 。 该 观测器包 含一个 P I 调节器对转速估计值进行无静差调整 。 图中 , 定 子电压矢量 u s可以通过检测三相电压瞬时值而求 得, e 表示定子电压矢量的估计误差 , 取 e = u u ( 14) s αu s β s β u s α 基于串联双模型观测器 , 可 以构成转子磁链 闭环的异步电动机无速度传 感器矢量控制系统 , 如图 3 所示 。
0 引言
为了达 到高精 度的转 速闭环 控制 及磁 场定 向 , 需要在电动机轴上安装速 度传感器 。 但是有 许多场合不允许外装任何速 度和位置检测元件 , 此处安装速度传感器一定程度上会降低调速系统 的可靠性 。 随着交流调整系统的发展和实际应用 的需要 , 国内外许多 学者和科技人员展开了无速 度传感器的交流调速系统研究 , 成为交流调速技 术一个重要的应用研究领域 。 实现转速观测器的 主要方案有以下几种 : ( 1) 转差频率计算法 ; ( 2) 串联双模型转速观测器 ; ( 3) 基于状态议程的直接综合法 ; ( 4) 模型参考自适应 ( M R A S ) 转速观测器 ; ( 5) 扩展卡尔曼滤波器速度辨识方法 。
u s α u s β u r α u r β =
R L 0 L 0 s+ sp mP 0 R L s+ Sp 0 L mp L L L p ω L m p ω m R r+ r r ω L L ω L R L p m mp r r+ r i s α i s β i r α i r β ( 1)
式中 , ω 为转差角速度 ( ω ωω ) ; n s l s l= r p为电动机 的极对数 ; T 为电磁转矩 。 式 ( 3)～ ( 6) 就是构成 e m 无速度传感器矢量控制的基本方程 。
2 速度推算的仿真模型
2. 1 转差频率计算法 所谓无速度传感器调速系统就是取消了速度 检测装置 , 通过间接 计算法求出电动机运行的实 际转速值作为转速反馈信号 。 在电动机定子侧安 装电压传感器和电流 传感器 , 取出三相 电压 u A, u B, u C 和三相电流 i A, i B, i C, 根据 3 /2 变换求出静 止轴系中的两相电压 u s α, u s β 及两相电流 i s α, i s β ,利 用定子静止轴系 ( α-β) 中的两相电压 , 电流就可 以推算出定子 、 转子磁链 , 并估计电动机的实际转 速。 在定子两相静止轴系 ( αβ) 中的磁链为 Χ u i d t s α = ( s α -R s s α) ( 7) Χ s β
比较前两种无速度传感器的矢量控 制方案 , 可以看出第 1 种方案简单 , 但精度有限 , 比较容易 受转子电阻 、机电时间的影响 。 而第 2 种方案虽 然有足够的精度 , 但实现比较复杂 , 需要构建转子 的磁通观测器 。 基于此提出另一种无速度传感器的矢量控制 方案 , 本文提出了一 种感应电动机转子磁场定向 的矢量控制方法 , 利 用在同步轴系中 q 轴电流的 误差信号实现对电动机速度的估算 。 电动机转矩电流分量变化量的积分即为电动 机的旋转速度 , 即 C M ＊ n= ( i d t ( 15) q -i q) J L m ＊ 式中 , C n Χ J 为电动机的转动惯量 。 M = p 2 ; L 2
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无速度传感器矢量控制系统研究
刘慧博 , 魏士焕
( 内蒙古科技大学 信息工程学院 , 内蒙古 包头 014010) 摘要 : 首先分析 几种现今 常用的无速 度传感器 矢量控制方 法 , 经 过分析发现 这些控制 方案要么结 构复杂 , 要么 精度不够 。 基于此 , 本文提出一种感应电动机转子磁场定向的 矢量控制 方法 , 利 用在同步 轴系中 q 轴电 流的误 差信号实现对电动机速度的估算 。 在该无传感器 矢量控制系统中 , 由于采用了经典的 P I 调节器 , 使得 控制系统 更为简单 。 最后利用 Ma t l a b 建立该无传感器矢量控制 系统的 仿真模 型 , 通 过仿真 验证了 本文所 提出的 无传感 器矢量控制系统具有良好的动态和静态 性能 。 关键词 : 感应电动机 ; 无传感器矢量控制 ; 速度估算 ; 串联双 模型观测器
0 式中 , u 分别为定子电压的 d 轴与 q 轴分量 ; s d, u s q i 分别为定子电流的 d 轴与 q 轴分量 ; R 分 s d, i s q s, R r 别为定子绕组与转子绕组的电阻 ; L , L s r分别为定 子绕组与转子绕组的自感 ; L 转子绕组间的 m 为定 、 互感 ; ω 为同步旋转角速度 ; s 为转差率 ; p 为微分 算子 ; Χ 为转子磁链的 d 轴与 q 轴分量 ; σ为漏感 r 系数 ( σ =1 L L ; T T m /L r s) r为转子时间常数 ( r= L /R ) 。 r r 稳态时可以将式 ( 2) 写成 ; u R ω σL s d= si s dsi s q L m u R ω σL Χ s q= si s q+ si s d+ ω r L r Χ L r= mi s d L mi s q ω s l= T rΧ r L m T n Χ i e m = p r s q L r ( 3) ( 4) ( 5) ( 6)
2
由矢量控制方程式可求得转差角频率 , 即 ( 11)
根据式 ( 7)～ ( 10) 可得到转速推算器的基本 结构 , 如图 1 所示 。
图 1 转速推算器结构图
2. 2 串联双模型观测器 根据两相静止坐标系下异步电动机的基本方 程 , 可以得到两种形式的转子磁链估算模型 , 一种 是电压模型 , 另一种是电流模型 。 电压模型 : L r Χ ( R σL p ) i r α= [ u s αs+ s d s α] L m L r Χ ( R σL p ) i r β = [ u s β s+ s d s β ] L m 电流模型 : 1 Χ ( Li ω T Χ r α= α r r r β) T p + 1 ms r 1 ( Χ L ω T Χ r β = mi s β r r r α) T p 1 r + ( 13)
1 + p 0 T r s ω 0
收稿日期 : 20091103; 修改稿收到日期 : 2010-0113 作者简介 : 刘慧博 ( 1972) , 女 , 内蒙古包头人 , 讲师 , 博士研究生 , 主要研究方向为交流调速 。
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i s d i s q Χ r ( 2) Χ s β φ a r c t a n s= Χ s α 由式 ( 8) 可求出同步角速度 ω s d ω Χ s s β d ω = ( a r c t a n )= s= d t d t Χ s α ( u R ( u R i s β si s β )s αS s α) Χ 2 s β Χ s L i m d s T ω · s l= T Χ r r ( 10) ( 9)
s β ss β
( 12)
式中 , ω 为电动机转子的转整速 。 r 根据上述的电流模型和电压模型构成的转速 和转子磁链观测器如下图 2所示 。
∫ =∫ ( u -Ri) d t
2 2
磁链的幅值及相位角为 Χ Χ o s φ s = Χ s α+ s β c s= Χ Χ s α s β , s i n φ s Χ Χ s s ( 8)
本文从原理上说明了两种无速度传感器的控 制方案 , 并对其中的一种方案通过 M a t l a b 仿真实 现了它的转速估算 。 从图中可以看出这种方案能 实现对速度的估计 , 而且也有一定的精度 , 不过此 种方案控制复杂不够简洁 。 基于此 , 本文提出 了 一种简化的无速度 传感器的速度估计方案 , 利 用 定子电流的 q 轴分量的 偏差来估计速度 , 最后 用 M a t l a b /S i m u l i n k 搭建的模型仿真验正了这种方案 的正确可行 性 。 从 最后出 来的 仿真 图中 可以 看 可 , 此种方案的速度估计精度有一定的保证 。 参考文献 :
[ 1] 李华德 . 电力拖动 控制系 统 [ M] . 北京 , 电子 工业 出版 社 , 2006: 222-250. [ 2] 洪乃刚 . 电力电子和 电子拖 动控制 系统的 MA T L A B仿 真 [ M] . 北京 : 机械工 业出版社 , 2006. [ 3] 陈伯时 . 电力拖动 自动控 制系 统 [ M] . 北京: 机械 工业 出版社 , 2000. [ 4] 刘 峰 , 魏 青 . 无速度反馈搬矢量控制变频调 速系统 [J ]. 微电机 , 1999( 01) : 16-20. [ 5] 王志刚 , 冯晓云 . 无速度传感器异步电机矢量控 制系统 的改进研究与仿 真 [ J ]. 电 气传 动 自 动化 , 2006 ( 4) : 14-19. [ 编辑 : 魏 方 ]
式中 , u s α, u s β 为两相静止坐标上 两相定子绕组 电 压; u r α, u r β 为两相 静止坐标系上 两相转子绕组 电 压; i s α, i s β 为 两相静止 坐标系上 两相定子 绕组 电 流; i r α, i r β 为 两相静 止坐标 系上 两相 转子 绕组 电 流; ω 为转子角速度 ; R , R 转子 —相绕组 s r为定子 、 电阻 ; L , L 两相坐标系上定子 、 转子绕组的自感 ; s r L m 为两相坐标系上同轴定子 、转子绕组间的互感 。 根据转子磁场定向的三相异步电动的电压方 程式为 : L m R σL ω σ L p 0 s+ sp s L r u s d u s q 0 0 = ω σ L s L m T r 0 R σL s+ Sp 0 L m T r L m ω L r 0