感应电动机的无速度传感器控制研究.
感应电动机的无速度传感器控制研究 3
王家军 王建中
杭州电子科技大学
摘要 :基于定子侧静止参考坐标系 , 把感应电动机的模型分为机械部分和电气部分 。 利用新的状态变量 , 根据系统的稳态方程计算感应电动机的速度 , 实现感应电动机的无速度传感器控制 。
制方法相比 , , 通过
性能 。 最后仿真结果证明了该设计方法的有效性 。
关键词 :感应电动机 无速度传感器
R of Induction Motor
Wang Jiajun Wang Jianzhong
Abstract :The model of induction motor was separated into mechanical and
electrical parts based on static reference coordinate of stator. According to steady
equation , the speed of induction motor was computed with new states. Then sensorless
control of induction motor can be realized. Compared with traditional sensorless control
method , the scheme avoids computation of rotor slip or rotor flux linkage angle. G ood
steady and dy 2 namic performance can be achieved by regulating PI controller. At last
simulation results prove the efficiency of the scheme.
K eyw ords :induction motor sensorless PI controller
1 引言
感应电动机以其坚固、 可靠、 廉价、 高效等优 点 , 在工业驱动控制中获得了大量的应用。 感应电 动机结构简单 , 但其弱点是数学模型复杂 , 状态变 量之间的
耦合严重 , 导致高性能的控制困难 [1~3]。 感应电动机的矢量控制是通过转子磁场定向来实 现转矩和磁链的解耦控制 [4,5], 而直接转矩控制摒 弃了解耦的思想 , 取消了旋转坐标的变换 , 实现磁 链和转矩的直接控制 [6]。 矢量控制的坐标变换需 要计算转子的转差或转子磁链角 , 感应电动机按 照直流电动机的模式进行解耦控制。
感应电动机的速度通常是由光电编码器提 供 , 然而编码器的存在增加了系统接线 , 降低了系 统的可靠性 , 特别在一些无法安装编码器的场合 限制了电动机应用 。 因此开发感应电动机的无速 度传感器控制具有重要的应用价值 。 本文基于定 子侧的静止坐标 , 先通过一定的坐标变换 , 把感应 电动机分为机械部分和电气部分 。 利用新的状态 变量 , 根据系统的稳态方程计算感应电动机的速 度 , 实现感应电动机的无速度传感器控制 。与一 般感应电动机无速度传感器控制方法相比 , 该方 法避免了转子转差或转子磁链角位置的计算 , 通 过 PI 控制器的调节可以实现良好的动静态性能 。 最后通过仿真验证了系统设计的有效性 。
2 感应电动机模型
感应电动机的 5阶动态模型为 [7,8]
d t
=k (Ψr αi s β-Ψr βi s α -
J
(1 d t
=a Ψr α+b ωΨr β-ci s α+d u s α(2 d t
=a Ψr β-b ωΨr α-ci s β+d u s β(3 d t
=-e Ψr α-n p ωΨr β+f i s α(4 91
感应电动机的无速度传感器控制研究 电气传动 2007年 第 37卷 第
3期 3中国博士后基金项目 (2005037258 , 浙江省博士后择优基金项目 (2004-bsh
-024
d t
=-e Ψr β+n p ωΨr α+f i s β(5
其中 k = 2J L r a =
σL s L 2
r
b =σL s L r
c = 22
σL s L 2
r
d =
σL s
e =
L r
f = L r M
式中 :ω为转子角速度 ; Ψr α, Ψr β为转子 α, β轴磁 链 ; i s α, i s β为定子 α, β轴电流 ; u s α, u s β为定子 α, β轴 电压 ; M 为互感 ; n p 为极对数 ; J 为电机的转动惯
量 ; R r 为转子电阻 ; R s 为定子电阻 ; L r 为转子电
感 ; L s 为定子电感 ; σ为漏感系数 , σ=1-
2 L r L s ;
T L 为负载转矩 。
由式 (1 ~式 (5 可以看出 ,
3
为了实现感应电动机机械部分和电气部分的 分离 , 给出如下新的状态变量 [9]
T =Ψr αi s β-Ψr βi s α(6 Ψ=
2
(Ψ2r α+Ψ2r β (7 X =Ψr αi s α+Ψr βi s β(8 其中 , T 为虚拟转矩 。 T 和实际转矩的关系为 T e =kJ T (9 Ψ为虚拟磁链 , Ψ和实际转子磁链的关系为
Ψ= 2 Ψ2
r
(10
实际运行过程中 , 可以根据需要利用感应电动机 的电流模型或电压模型获得
Ψr α, Ψr β[10]。 利用新的状态变量 , 则感应电动机的模型可 以分解为如下两个部分 。
机械部分
d t =k T -
J
(11
d t
=-2b ωΨ-(e +c T -n p ωX +d u T (12 其中 u T =Ψr αu s β-Ψr βu s α
电气部分
d t
=-2e Ψ+f X (13 d t
=2a Ψ-(e +c X +n p ωT +
f (i 2s α+i 2s β +d u Ψ(14 其中 u Ψ=Ψr αu s α+Ψr βu s β 对于机械部分 , T 为虚拟转矩 , u T 假定为虚拟转 矩电压 ; 对于电气部分 , X 为虚拟磁链控制量 ,
u Ψ假定为虚拟磁链电压 。
对于机械部分和电气部分 , 一般情况下 , 磁链 的建立时间要大大快于速度的变化时间 , 因此可 以利用式 (12 的稳态方程求取电动机的转速为
=
2b Ψ+n p X
(15 , 并经 过 PI
,
PI 控制器产生磁链控制量 ; 磁链控 制量和反馈虚拟磁链控制比较 , 并经过 PI
控制器 产生虚拟磁链电压 。 为保证系统良好的动静态性 能 , 必须保证磁链具有快速的收敛速度 。
由虚拟转矩电压和虚拟磁链电压可以得到实 际定子 α, β轴电压
u s α=
Ψ
2Ψ
(16
u s β=
2Ψ
(17 4 系统仿真分析
4. 1 系统仿真
感应电动机控制系统的结构框图如图 1所
示 , 其中 3/2变换和 2/3变换为静止坐标系变 换 , 变换矩阵为
x
x
=
3
1-
2
-
2
2
-
2
x a
x b
x
(18
x a
x b
x
=
3
1
0
-
22
-
2
-
2
x α
x
(19 式中 :
x 代表电压或者电流 。
图 1 系统控制框图
02
电气传动 2007年 第 37卷 第 3期 感应电动机的无速度传感器控制研究
感应电动机的仿真参数为 :定子电阻 R s = 2. 64Ω, 转子电阻 R r =2. 77Ω, 极对数
n p =2, 转 动 惯 量 J =10-3kg ・ m 2, 定 子 电 感 L s = 0. 07557H , 转子电感 L r =0.
07484H , 定转子互 感 M =0. 08952H 。控制器参数为 :速度控制器 k p =0. 36, k I =30;
转矩控制器 k p =5, k I =0. 5; 磁 链控制器 k p =500, k I =50; 磁链电压控制器 k p =
200, k I =50。
系统 初始给 定转 速为 500r/min , 转 矩 为 2N ・ m , 在 0. 25s 将电动机速度提高 500r/min , 在 0. 5s 负载转矩提高 2N ・ m , 在 0. 75s 将电 动机速度降低
500r/min 。 仿真结果如图 2所示
感器控制 ,
图 2 仿真结果
4. 2 系统分析
本设计方案与矢量控制相比较 , 具有如下 优点 。
1 避免了转子转差或转子磁链角的计算 , 这 是其最大的优点 。在矢量控制中 ,
转子转差或转 子磁链角的计算是其关键的一个步骤 , 而该计算 受到转子常数的影响 , 这是无法避免的 , 也是其最 大的控制难点 。
2 系统的状态变换基于定子侧静止坐标 , 没 有坐标的旋转 , 节省了计算量 。
3 电动机转子速度的计算基于稳态方程 , 系 统的动态性能可以达到一定的要求 。 5 结论
本文把感应电动机的控制分为机械部分和电 气部分 , 基于定子侧的静止参考坐标 , 避免了转子 转差或转子磁链角位置的计算 , 利用所得系统的 静态方程实现了电动机转子转速的计算 。 计算转 速和实际转速能够实时跟踪系统的给定转速 , 并 且具有良好的跟踪性能 。
R D W. Motion Control Motor. Proceedings of IEEE , 1994,82 ( :1215~1240
2 Malinowski J ,McCormick J. AC Induction Motor Specifi 2 cations :an Update
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5 Pavlov A , Zaremba A. Direct Torque and Flux Regu 2 lation in Senorless
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无速度传感器矢量控制系统转子电阻在线辨识
电气传动 ２０１２年 第４２卷 第８期 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ２０１２ Ｖｏ１．４２ Ｎｏ．８
无速度传感器矢量控制系统转子 电阻在线辨识 蔡准，何礼高 （南京航空航天大学自动化学院，江苏南京２１００１６） 摘要：三相感应电动机无速度传感器矢量控制系统中，电机参数变化（特别是转子电阻）影响矢量控制性 能和速度辨识精度；而稳态下，由于转子磁链是常数，转速和转子电阻不能解耦，两者很难实现同时辨识。基 于无速度传感器直接矢量控制系统，设计了独立于全阶状态观测器的积分改进型转子磁链观测器，动态时结 合自适应递推最小二乘法对转子电阻进行辨识，系统能够在动态过程中实现对转速和转子电阻的同时辨识， 该方法通过了仿真和实验验证。 关键词：感应电动机；无速度传感器；矢量控制；转子电阻在线辨识；递推最小二乘法 中图分类号：ＴＭ３０１ 文献标识码：Ａ Ｏｎ－ｌｉｎｅ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｏｔｏｒ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｆｏｒ Ｓｐｅｅｄ Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ＣＡＩ Ｚｈｕｎ，ＨＥ Ｌｉ—ｇａｏ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊ ｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ３－ｐｈａｓｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ，ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｒｏｔｏｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）ｈａｖｅ ａ ｓｔｒｏｎｇ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｅｓｔｉｍａ— ｔｉｏｎ．Ｉｎ ｓｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅ，ｉｔ ｉｓ ｋｎｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｒｏｔｏｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ｉｍ— ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｆｌｕｘ ｉｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｎｄ ｒｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｒｏｔｏｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃａｎ ｔ ｂｅ ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ．Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｒｏｔｏｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｔａｔｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｒｅｃｔ ｆｉｅｌｄ ｏｒｉｅｎ— ｔｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈｏｕｔ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｌｕｘ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｎｏ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｆｕｌｌ—ｏｒｄｅｒ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ａｎｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｕｓｅｄ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔＯ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｍｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｒｏｔｏｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏ— ｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌｉｎｋ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ；ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｏｔｏｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｎｌｉｎｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ；ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ １ 引言 目前，高性能感应电动机驱动系统中，实现对 励磁和转矩解耦控制的矢量控制器得到了广泛的 应用。传统的电机测速装置多采用测速发电机或 光电数字脉冲编码器，增加了控制系统成本，给安 装带来不便，并且不能在恶劣环境下使用。因此 无速度传感器矢量控制一直受到国内外学者们的 高度重视，提出了多种多样的方法［１ ］。无论在 直接矢量控制或间接矢量控制中，转子电阻都要 参与转速的运算，而转子电阻受转子温升影响，使 得参与运算值与电机转子电阻实际值不符，控制 系统性能变差，因而有必要对转子电阻进行在线 辨识；而在无速度传感器下，稳态时由于转子磁链 是定值，并且转速和转子电阻不能解耦，使得转速 和转子电阻很难实现同时辨识［４ ］。 针对稳态下，转速和转子电阻很难同时实现 辨识的问题，文献Ｅ３３通过定、转子电阻对应的比 例关系，由自适应律得到定子电阻，然后由离线自 检得到的定、转子对应的比例关系得到转子电阻， 这种方法前提是在温度变化情况下，定、转子电阻 有同样的变化趋势，才能够保证转子电阻辨识的 准确；文献Ｅ４］通过向定子电流励磁分量加入两种 不同频率的谐波，构成自适应律辨识转子时间常 作者简介：蔡准（１９８６一），男，工程师，硕士研究生，Ｅｍａｉｌ：ｃａｉｚｈｕｎ３０２＠１６３．ｃｏｒｎ
基于谐波检测的无速度传感器控制变频器速度估计
ＱＱ ：］§ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
基于谐波检测的无速度传感器控制
变频器速度估计
黄夫海董艳雪 （临沂师范学院信息学院山东临沂２７６００５） 高新技术
摘要：为了克服速度估计中对电机参数的依赖性，一些学者提出了利用基于齿谐波信号中与转速相关的频率成分来提取转速的思 想。因此，转速估计就是从齿谐波信号中提取相关频率，根据其与转速的关系推算转速。转速是时变的，且要实现转速闭环控制，因 而要求检测算法计算量小，能跟踪时变信号，尤其在低速情况下需解决测量灵敏度和抗干扰问题，这些都是目前无速度传感器矢量控 制技术急需解决的关键技术。本文主要研究基于递推最小二乘算法的快速谐波检测算法，以满足转速辩识对快速性和灵敏度的要求。 关键词：无速度传感器变频器 齿谐波数字信号处理最小二乘算法 中图分类号：ＴＨ１ ３２．４３ 文献标识码：Ａ 无速度传感器矢量控制方式的基本控制思想是进行磁通观测 和速度观测。本文所要做的研究就是利用定子电流齿谐波法进行 速度估计。这种方法主要依靠数字信号处理技术进行谐波分析及 谐波信号频率的提取。如今广泛采用的ＦＦＴ技术、自相关功率 谱估计法以及ＡＲ模型等现代谱估计技术的不足之处在于，为保 证估计精度，往往所需采样时间相对较长，实时能力相对较差， 并且极易受噪声干扰的影响，造成低速下有较大的估计误差。总 之，低速下的抗干扰问题、测量灵敏度问题和实时处理能力问题 时这种方法有待解决的主要问题。因此要想真正将这种方法实用 化尚需从理论和技术处理上做出努力。 本文研究的目的就是要解决低速下测量灵敏度和抗干扰的问 题。解决低速运行下所存在的问题对于此方法的实用化具有重大 的意义。
１．用齿谐波进行速度检测的相关算法 如果电机带负载，那么转子电流、转子齿电动势谐波也将 有气隙磁通的基本成分相互影响。因此，气隙磁通被转子齿槽 产生的两个谐波成分调制，这两个谐波成分的频率为（ｚ／Ｐ） ０３ ｒ ４－０３ ０。假使有一正弦分布的气隙磁动势，其磁通密度可
感应电机双滑模面变结构MRAS转速辨识
第14卷第10期2010年10月电机与控制学报
ELECTRICMACHINESANDCONTROLVol14No10
Oc.t2010
感应电机双滑模面变结构MRAS转速辨识
王庆龙1,张兴2(1.合肥学院电子信息与电气工程系,安徽合肥230601;2.合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥230009)
摘要:为了研究感应电机无速度传感器磁场定向控制系统,基于变结构控制和自适应控制理论,提
出一种双滑模面变结构模型参考自适应观测器,用于感应电机的转速辨识。该方法将变结构和模型参考自适应系统进行有机的整合,选择转子磁链电压模型和电流模型分别作为参考模型和可调模型,
采用两模型输出的偏差构造了两个滑模面,利用代数计算方法获得转子估计速度。理论分析和仿真
结果表明:所提出的感应电机转速辨识方法具有较高的转子磁链观测准确度,改善了转速估计的动静
态性能;对于参数变化具有很强的自适应能力,同时算法简单,适用于实时应用。
关键词:感应电机;无速度传感器;矢量控制;模型参考自适应;双滑模面;变结构;辨识
中图分类号:TM346+.2文献标志码:A文章编号:1007-449X(2010)10-0032-05
DoublemanifoldvariablestructureMRASspeed
identificationforinductionmotor
WANGQinglong1,ZHANGXing2
(1.DepartmentofElectronicsandElectricalEngineering,HefeiUniversity,Hefei230601,China;
2.CollegeofElectricalandAutomaticEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)
高压变频器同步电机无传感器飞车起动的方法及应用
2020.No.3高压变频器同步电机无传感器飞车起动的方法及应用设计与研究高压变频器同步电机无传感器 飞车起动的方法及应用陈江洪，王旭（上海电气富士电机电气技术有限公司，上海201199）摘 要：越来越多行业将高压变频器应用节能目的外，开始进行更多的工艺控制。为了满足更多的应 用需求，对高压变频器“飞车起动”功能的风险进行分析，提出使用无传感器矢量控制来实现励磁控制、 电机转子方向和转速估算。并在水利应用项目中，实现了同步电机飞车起动功能的应用。关键词：高压变频器；同步电机;无传感器矢量控制;飞车起动中图分类号：TM341 文献标识码：A DOI 编码：10.16712力.=^9 .=31 -1868/tm.2020.03.0060引言随着电气传动技术尤其是变频调速技术的发 展，作为大容量传动的高压变频调速技术也得到了 广泛的应用。多电平串联H桥逆变拓扑是国内大 部分高压变频器厂商采用的主流拓扑结构。该变频 器有很多独有的特征:模块化结构，易于降低成本和 便于维修;几乎正弦的输出波形;旁路功能提高了系 统的可靠性;网侧电流接近正弦2017年，中国经济企稳回升，产业升级、结构优 化初见成效，中高压通用变频器市场呈现正增长态 势，同比增长8.5%,呈现自2012年以来首次正增 长态势。其中市政水利行业作为中高压变频器第二 大应用行业,水生产和供应的固定投资增速明显，水 工业行业中高压变频器业绩呈现较明显增幅。该行 业对其设备运行的稳定性、效率和功率因素等都提 出了更高的要求，传统的V/T控制已很难满足要 求。因此，通过高压变频器采用矢量技术控制同步 电机，自动调节励磁电流，大幅提高转速的控制精度 和响应时间，实现长时间高效的不间断工作,成为越 来越多用户的首选方案（在水工业行业的泵类应用领域中，通常会采用 一台或多台高压变频器顺序驱动多台泵的工作方 式。当泵依次起动时，需要变频器具有变频切工频, 即“同步投入”功能。当某台工频运转的泵需要进 行出水量调节时&即从工频切变频，这就需要变频器 具有"飞车起动”功能。"飞车起动”是指当电动机 转子旋转时,将变频器输出一定大/J、、一定频率的电 压加到电动机上起动的过程。如果电动机的反电动 势与变频器输出电压不同步的话，较大的冲击电流 将流过变频器，使得变频器主回路器件有烧坏的风 险。如何调节变频器输出使之和电动机反电动势同 步,消除冲击电流是“飞车起动”的关键技术。而且 对于没有配置速度传感器的电机来说，其转子的实 际相位更加难以获取，故高压变频器必须采用无传 感器矢量控制才能满足要求。1同步电机无传感器飞车起动的风险1.1电机失磁风险电动机 动 时， 电机 电 ， 由高压变频器驱动控制，开始飞车起动。电机的励 磁柜转为变频器控制。在励磁转换过程中，需要控 制同步电机的失磁风险。所谓失磁,就是电机转子 失去直流励磁电流，使转子磁场消失,这种状态即为 失磁状态［2］（失磁时，转子绕组开路，会产生较大 的感应电压，容易发生匝间短路、绝缘破坏等故障（* 本项目课题系上海市科技人才计划项目（19XD1430900）、上海市闵行区科委重大产业技术公关计划项目（2019MH - ZD25）—19
基于DSP的无位置传感器BLDC速度控制
２０１２年第４期
文章编号：１００９—２５５２｛２０１２）０４—００６５—０４ 中图分类－￣－：ＴＰ２１２．９ 文献标识码：Ａ
基于ＤＳＰ的无位置传感器ＢＬＤＣ速度控制
魏志成，麻友良
（武汉科技大学信息科学与工程学院，武汉４３００８１）
摘要：介绍了无位置传感器无刷直流电机的控制原理，讨论了实现该控制系统的方法，最后 介绍了一种基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８ｌ２ＤｓＰ来实现的无位置传感器无刷直流电机速度控制方法。
关键词：ＤＳＰ；无位置传感器；无刷直流电机
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ＢＬＤＣ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ
ＷＥＩ Ｚｈｉ—ｃｈｅｎｇ．ＭＡ Ｙｏｕ—ｌｉａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３￣８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏ￣ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ］ｅｓｓ ＢＬＤＣ ｉｓ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ＢＬＤＣ ｏｎ ｔｈｅ ＤＳＰ ｃｈｉｐ
ＴＭＳ３２ＯＦ２８ １２ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＤＳＰ；ｓｅｎｓｏｒ］ｅｓｓ；ＢＬＤＣ
随着半导体技术的飞速发展，各种高性能ＭＣＵ 的不断推出，加速了无刷直流电机（ＢＬＤＣ）控制系
统的发展。数字控制技术不但可以使系统获得高精
度、高可靠，还为新型控制理论的应用提供了物质基 础。尤其适合于实时控制的高速数字信号处理器
（ＤＳＰ）在伺服系统中的应用，大大简化了系统结构，
基于模型参考自适应的永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制
Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｏｄｅｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｐｅｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｓｐｅｅｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
汤正楠
Ｔａｎｇ Ｚｈｅｎｇｙｉ （天津工业大学，天津３００１６０）
（Ｔｉａｎｊ［ｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｕｎｔｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００］６０）
摘要：本文基于直接转矩控制理论和永磁同步电机的数学模型，介绍了一种基于模型参考自适应的速度辨识的永磁同 步电机直接转矩的无速度传感器控制方案，并用Ｍａｔｌａｂ软件进行仿真．给出了仿真结果且对结果进行了分析。
关键词：模型参考自适应：无速度：永磁同步电机：直接转矩控制
中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ６７ １—４７９２一（２００７）３—００４９—０３ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，
ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐ】ａｎ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ］ｅｓｓ ｓｐｅｅｄ ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｅｔ ｂａ ｄ ｏｎ ＭＡＲＳ．Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ ｉ Ｓ ｃａｒｒｌｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ＭＡＴＬＡＢ．ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｓｈｏｗｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｅｄ．
Ｋｅｖｗｏｒｄｓ：Ｍｏｄｅｒ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍ（、Ｕ、Ｒｓ）；Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）；
Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ
电机及控制技术论文集
电机及控制技术论文集
本文基于SVM的直接转矩控制理论，以永磁同步电机数学模型为参考模型，以电机转速为可调参数建立参考模型，满足波波夫超稳定性定理构建合适的自适应率，实现了采用模型参考自适应法来进行永磁同步电机无速度传感器调速控制的方案。在Matlab-Simulink软件环境下搭建系统的仿真图并进行仿真和分析，结果验证了该方案的可行性。
【关键词】SVM直接转矩控制 无速度传感器 MRAS模型参考自适应
永磁同步电机PMSM的体积小、噪声低、效率高、功率密度较大，在电力电子技术与现代控制理论迅速发展的大环境下，这些优点使PMSM渐渐得到了广泛的应用。永磁同步电机的直接转矩控制DTC是在矢量控制发展日渐成熟之后兴起的另一种高性能交流调速技术。由于拥有控制结构简洁、动态响应较快、对电机参数依赖较少等特点，直接转矩控制已成为学术界研究的热点。
在现代交流调速系统领域中，速度传感器由于存在降低系统可靠性，增加系统成本等问题，已经大大制约了交流传动系统的发展，所以采用无速度传感器的调速方案是当今国内外研究的趋势。
永磁同步电机无速度传感器的研究方法主要有基于磁链位置的估算法、基于反电动势法、滑膜观测器法、扩展卡尔曼滤波法、高频注入法、人工智能估算法、模型参考自适应法MRAS。因为模型参考自适应法具有控制相对简单而且精度高的优点，所以本文将模型参考自适应法应用到永磁同步电机调速系统当中。将永磁同步电机本身作为参考模型，将含有转子转速的模型作为可调模型，采用并联型结构进行速度辨识，两个模型的输出量物理意义相同。利用可调和参考模型输出量所构成的误差，计算出合适的比例积分自适应率，并以此来调整可调模型的参数，满足Popov超稳定性定理，使系统逐渐稳定，最终使可调模型的状态能稳定、快速地逼近参考模型，即让误差值趋近于零，进而使转速估计值逐渐逼近实际值，实现转速的识别。
1 永磁同步电机数学模型
无刷直流电机的无位置传感器控制
无位置传感器控制技术是无刷直流电机研究的热点之一，国内外相关研究已经取得阶段性成果。
在无刷直流电机工作过程中，各相绕组轮流交替导通，绕组表现为断续通电。在绕组不通电时，由于绕组线圈的蓄能释放，会产生感应电动势，该感应电动势的波形在绕组两端有可能被检测出来。利用感应电动势的一些特点，可有取代转子上的位置传感器功能，来得到需要的换相信息。由此，就出现了无位置传感器的无刷直流电动机。
尽管无位置传感器控制方式使得转子位置检测的精确度有所降低，但由于取消了位置传感器，电机的结构更加简单，安装更加方便，成本降低，可靠性进一步提高，在对体积和可靠性有要求的领域以及不适合安装位置传感器的场合，无位置传感器无刷直流电机应用广泛。
无位置传感器控制方式下的无刷直流电机具有可靠性高、抗干扰能力强等优点，同时在一定程度上克服了位置传感器安装不准确引起的换相转矩波动。
无位置传感器技术是从控制的硬件和软件两方面着手，以增加控制的复杂性换取电机结构复杂性的降低。
以采用120o电角度两两导通换相方式的三相桥式Y接无刷直流电机为例，讨论基于现代控制理论和智能算法的无刷直流电机无位置传感器控制方法。
转子位置间接检测法
目前无刷直流电机中主要采用电磁式、光电式、磁敏式等多种形式的位置传感器，但位置传感器的存在限制了无刷直流电机在某些特定场合的应用，主要体现在：
1、 位置传感器可使电机系统的体积增大；
2、 位置传感器使电机与控制系统之间导线增多，使系统易受外界干扰影响；
3、 位置传感器在高温、高压和湿度较大等恶劣工况下运行时灵敏度变差，系统运行可靠性降低
4、 位置传感器对安装精度要求较高，机械安装偏差引起的换相不准确直接影响电机的运行性能。
无位置传感器控制技术越来越受到重视，并得到了迅速发展。依据检测原理的不同，无刷直流电机无位置传感器控制方法主要包括反电势法、磁链法、电感法及人工智能法等。
反电势法
反电势法（感应电动势过零点检测法）目前是技术最成熟、应用最广泛的一种位置检测方法。该方法将检测获得的反电势过零点信号延迟30o电角度，得到6个离散的转子位置信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，进而实现无刷直流电机的无位置传感器控制。
基于TMS320F2812的无速度传感器变频调速系统的设计与实现
２０１２年７月 第４０卷第１３期 机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｊｕ１．２０１２ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．１３
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－３８８１．２０１２。１３．０１８
基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８ １２的无速度传感器变频调速系统的设计与实现
陈世军 ，高军礼
（１．安庆师范学院物理与电气工程学院，安徽安庆２４６０５２；
２．广东ｘ－，Ｐ＿大学自动化学院，广东广州５１０００６）
摘要：应用模型参考自适应系统方法辨识出异步电机的转速，根据电机传统试验原理自动检测出电机离线参数。以
ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ＤＳＰ为核心控制器，设计出无速度传感器矢量控制方式的变频调速系统的软硬件，并对系统进行调试。结果
表明，该系统具有良好的动静态性能。 关键词：无速度传感器；模型参考自适应系统；数字信号处理器；变频调速系统
中图分类号：ＴＰ３４３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—３８８１（２０１２）１３—０５９—３
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｐｅｅｄ Ｓｅｎｓｏｒ－ｌｅｓｓ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭＳ３２０Ｆ２８ １ ２
ＣＨＥＮ Ｓｈ０ｕｎ ，ＧＡＯ Ｊｕｎｌｉ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｑｉｎｇ Ｔｅａｅｈｅ￣Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ａｎｑｉｎｇ Ａｎｈｕｉ ２４６０５２，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｄｉ・ ｔｉｏｎａｌ ｍｏｔｏｒ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｏｆｆ－ｌｉｎｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒ－ｌｅｓｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｔａｋｉｎｇ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ＤＳＰ ａｓ ｃｏｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ Ｗａｓ ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
基于模型参考自适应的永磁同步电机矢量控制系统
基于模型参考自适应的永磁同步电机矢量控制系统
设计了基于模型参考自适应（Model Reference Adaptive System，MRAS）的永磁同步电机无速度传感器矢量控制系统。通过对自适应率的设计，实现了无速度传感器电机控制，在MATLAB/Simulink环境下构建了仿真模型，仿真结果表明基于MRAS的无速度传感器控制对转速和转子位置角有很好的辨识效果。
标签：永磁同步电机；MRAS；矢量控制
Abstract： A sensorless vector control system for permanent magnet synchronous
motor （PMSM） based on model reference adaptive system（MRAS） is designed.
The speed sensorless motor control is realized by designing the adaptive rate， and the
simulation model is constructed in MATLAB/Simulink environment. The simulation
results show that the speed sensorless control based on MRAS has a good
identification effect on the rotational speed and rotor position angle.
Keywords： permanent magnet synchronous motor （PMSM）； model reference
adaptive system （MRAS）； vector control
1 概述
永磁同步電机具有其他电机无法比拟的优点，如结构简单、体积小、效率高等，因而得到了越来越广泛的应用。传统的检测方法多采用光电编码器或者旋转变压器等传感器，其对控制系统要求比较高，成本也较高，导致应用场合与环境受到了限制。为了克服机械传感器的这些弊端，无速度传感器技术成为了电气传动研究领域的研究方向之一。