无速度传感器异步电动机极低转速下的矢量控制
ISSN 1000-0054CN 11-2223/N
清华大学学报(自然科学版)J T singh ua Un iv (Sci &Tech ),2003年第43卷第9期
2003,V o l.43,N o.95/37
1169-1172,1180
无速度传感器异步电动机极低转速下的矢量控制
冬 雷, 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:2002-08-18
基金项目:国家自然科学基金资助项目(59877010)作者简介:冬雷(1967-),男(汉),河北,博士后。
通讯联系人:李永东,教授,E -mail :liyd @mail .tsin ghua .edu .cn
摘 要:在较低转速下,对异步电机转子磁通位置的观测比较困难,因此在定子边注入与电机控制量无关的高频信号,是提取转子磁通位置信息的有效方法之一。为此,该文分析了异步电机高频脉振信号注入下的电机模型,得到了异步电机同步参考坐标系下的阻抗不对称的特点,提出了磁通跟踪的方法,通过检测高频脉振信号注入时的响应电流,来观测转子的磁通位置,并以此为基础实现了无速度传感器异步电机极低转速下的矢量控制。实验结果表明,该方法在异步电机极低转速(包括零速)下能准确地观测出转子磁通位置,对电机的参数和负载变化具有鲁棒性,并且能够在零速时输出额定转矩。
关键词:异步电机;矢量控制;无速度传感器控制;磁通
跟踪
中图分类号:T M 921.51
文献标识码:A
文章编号:1000-0054(2003)09-1169-04
Vector control of a speed sensor -less induction motor at very low speed
DONG Lei ,LI Yongdon g
(Department of Electrical Engineering ,T s inghua University ,Beij ing 100084,China )
Abstract :T he rotor flux angle of an induction machine at ver y low speed
cann ot
eas ily
es timated;
th erefore,
an
in dependen t
high -frequen cy signal w as injected in to th e termin al of an induction motor to es tim ate the flu x angle.T his paper presents an an alysis of an indu ction motor model w ith a high-frequ ency fluctuating sign al injection.Wh en th e h igh-frequency fluctuating s ignal is injected into the termin al of the induction motor,the difference between the impedan ce of the d -an d q -axis of the syn chronous rotatin g referen ce fram e can be m easured.T he rotor flux angle is then tr ack ed by tuning the s pace vector of the hig h-frequency sign al for vector control of in duction motor s at very low s peed.E xperimental res ults verify that th e algorithm is r ob ust agains t parameter variations and load ch anges and th at the rated torque can b e p ut out at very low speed including zero.
Key words :induction motor ;vector con trol;
speed s ens or-less
control;flux tracking
目前,在较高的电机转速范围内,异步电动机无速度传感器矢量控制系统的研究取得了令人瞩目的成果[1～5]
,然而,在极低转速下,由于受到电机基本模型的限制,对电机转子磁通位置的观测仍然不能满足人们的要求[6]。为了解决上述问题,必须从电机测量,如定子电压、电流中提取转子磁通位置信息。在低速时定子电流相对较小,对电流的检测会受到严重的干扰,同时系统对电机参数变化特别是转子时间常数的变化更加敏感。所以在极低速时,理想电机模型已经无法胜任矢量控制的要求。研究人员为此提出注入一个与控制量无关的高频信号,在极低速范围内有效地提取电机转子磁通位置信息。如文[7]提出了高频脉振信号注入的方法估计磁通位置。但是,所采用的异步电机模型不适合于高频脉振信号注入的分析,而且没有考虑转子磁通的饱和程度对电机的影响。
文[8]提出了一种用高频谐波信号注入的方法来估计磁通角度、转子位置和转速。但是该方法对封闭转子的电机效果不好,受电机负载的影响较大,不适合中小型电机。文[9,10]通过向异步电机注入离散的高频脉冲信号的方法,利用电机总漏感随转子位置变化的特性,精确地检测出电机在极低速甚至零速下的转子位置。然而,该方法中位置信号的检测受负载和转子斜槽等影响较大。
本文在分析了高频脉振信号注入下的电机模型,以及转子磁通的饱和程度对高频阻抗不对称影响的基础上[11,12],利用提出的磁通跟踪方法,以及高频信号注入下的同步旋转坐标系中高频阻抗的不对称性,通过检测高频响应电流的变化,观测出转子磁通位置,并且完成了异步电机在极低转速下的无
速度传感器矢量控制。
1 同步旋转坐标系下异步电机的高频模型为分析同步旋转坐标系下异步电机的高频模型,先在定子供电电压中注入一个以同步速旋转的幅值为正弦变化的高频脉振电压信号,此高频电压分量在d-q坐标系中为:
u~s d=U h s d sin(X h t),(1)
u~s q=U h s q sin(X h t).(2)其中:上标“～”代表信号中的高频分量,X h为注入高频电压信号的频率。在同步旋转d-q参考坐标系下,鼠笼异步电机的高频特性可用Park方程表示为:
u~s d=r s i~s d+p W~s d-p H h W~s q,(3)
u~s q=r s i~s q+p W~s q+p H h W~s d,(4) 0=r r i~r d+p W~r d-(p H h-X r)W~r q,(5)
0=r r i~r q+p W~r q+(p H h-X r)W~r d,(6)
W~s d=L s d i~s d+L m d i~r d,(7)
W~s q=L s q i~s q+L m q i~r q,(8)
W~r d=L r d i~r d+L m d i~s d,(9)
W~r q=L r q i~r q+L m q i~s q.(10)其中:p为微分算子,H h为高频注入信号矢量的角度位置,由于注入的是高频脉振信号,其电压矢量在同步旋转坐标系下与d-轴夹角不变,因此p H h=0。当同步旋转坐标系以转子磁通高频分量进行定向时,即W~r q=0,则定子电压方程可以重新改写为:
u~s d=r s+r r L2m d
L2r d
+j X h R L s d i~s d≡Z~s d i~s d,(11)
u~s q=(r s+j X h R L s q)i~s q≡Z~s q i~s q.(12)其中:R L s d和R L s q分别为d、q轴定子总漏感。从式(11)(12)可看出d轴与q轴的高频阻抗有差异,这主要与电机的电磁设计和工作的饱和状态有关。因此异步电机的高频阻抗轨迹在同步旋转坐标系中为一椭圆。异步电机的这一特性只有在高频脉振信号的注入下才显现出来,与电机的转速没有任何关联,所以异步电机高频阻抗在d-q轴的不对称性可以被用来估计得到极低转速下转子磁通的位置。
2 高频条件下d、q轴定子端阻抗的不对称性
通常,标准设计的异步电机在主磁通的作用下,基本上接近铁心磁化曲线的饱和区,以充分利用电机的有效尺寸和重量。这种主磁路的饱和现象造成了电机磁导率空间分布的不对称性。异步电机磁场基波分量的分布如图1a所示,当电机在d轴方向注入高频脉振信号时,所产生的磁场高频分量的分布见图1b。在定子铁心中,磁场的高频分量与主磁通的基波分量所经过的磁路基本相同。但由于集肤效应的影响,磁通的高频分量在转子中的透入深度较小,大部分磁力线集中于转子表面。
另一方面,在电机q轴方向注入高频脉振信号时,所产生的磁场分布与d轴注入信号时不同,如图1c所示。由于主磁路饱和的影响,使得磁场高频分量与基波分量的交叉磁路部分的饱和程度高于d 轴注入时的情况。因此,磁场高频分量在电机转子表面的透入深度有所不同,造成了电机高频电感在d-q轴的差异,所以在d轴和q轴具有不同的高频阻抗特性。
图1 高频注入条件下磁场基波分量及高频分量的分布
通常由于注入的信号频率较高,r r L2m d/L2r d远远小于X h R L s d,因此式(11)(12)可近似地表示为:
Z~s d=r s+j X h R L s d,(13)
Z
~
s q=r s+j X h R L s q.(14) 当电机结构一定时,d-q轴的高频阻抗的差异主要来源于主磁通所经过的铁芯磁饱和程度。当主磁通路径铁芯没有进入饱和区时,R L s d≈R L s q,高频阻抗轨迹近似为圆形,见图2。当主磁通路径的铁芯进入局部饱和状态时,磁通仅在定、转子齿槽附近的局部进入了饱和区,由于d-q轴磁场分布的不对称
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使得R L s d 似为椭圆,椭圆的长轴与q 轴重合,见图2 。 图2 不同饱和状态下的高频阻抗轨迹 随着主磁通的进一步饱和,转子的磁导率的分布不再具有对称性。由于集肤效应的影响,在主磁通与高频磁通的交叉磁路部分,磁通的高频分量在转子表面的透入深度减小,大部分磁力线集中于转子 的表面,因此R L s d >R L s q ,即Z ~s d >Z ~s q ,见图2。实验也表明了上述分析的正确性。图3为4.4kW 异步电机在高频注入情况下,在主磁通处于不同饱和程 度时所得到的d m -q m 轴(下一节将详细说明)检测电流波形。当主磁通处于非饱和状态时(见图3中第4组曲线),由于高频阻抗轨迹近似为一圆形,因此所检测得到的d m -q m 轴高频响应电流几乎重合。当主磁通饱和程度较低时(见图3中第3组交叉曲线)q 轴阻抗大于d 轴;相反,如果主磁通的饱和程度加大,会使得d 轴阻抗大于q 轴(见图3最上面两组曲线) 。 图3 主磁通不同时,检测轴高频电流与主磁通位置关系 3 转子磁通位置跟踪与矢量控制 为得到转子磁通位置,先要检测出电机在高频脉振信号注入时d -q 轴的阻抗差异。当d -q 轴分别注入相同幅值的高频脉振电压信号时,由于d -q 轴具有不同的阻抗特性,d -q 轴上的高频响应电流信号也将有所不同。通过检测d -q 轴上高频电流信号的差异即可得到转子磁通的位置信号。 在实际应用中,提出了转子磁通跟踪的方法,如 图4所示。高频脉振信号的空间矢量与转子磁通矢量的实际位置夹角为H err 、d m 和q m 轴为高频响应的检测轴。 图4 高频信号注入及信号检测方法 图5为高频注入下的无速度传感器异步电机矢量控制的系统框图。其中转子磁通跟踪控制器利用了异步电机高频阻抗的不对称性,对转子磁通位置进行跟踪,从而得出转子磁通的角度位置。经过微分又可以得到转子磁通的同步转速,进一步得到电机的实际转速,完成异步电机的速度矢量控制。 图5 基于高频注入的无速度传感器矢量控制系统 4 试验结果 通过以上分析可看出,异步电机在高频信号注入时所表现出的d -q 轴阻抗的不对称性主要是由于 高频下d -q 轴电感的不同以及转子电阻引起的。转子电阻在高频下受集肤效应的影响,阻值将比基波频率下的电阻大十几倍[7]。另外,d -q 轴高频电感的差异主要受主磁通饱和程度及电机结构的影响。本系统中所注入的高频信号为500Hz 的正弦脉振信号。 图6为电机空载时正反转条件下的d -q 轴检测电流、利用磁通跟踪法观测得到的磁通位置以及定子电流波形。图7为电机空载时,定子频率由1Hz 变为0Hz ,再变为1H z 时所得到的电流及观测磁 1171 冬 雷,等: 无速度传感器异步电动机极低转速下的矢量控制 通位置波形。图中电机定子端电流为A 相的相电流,其中含有注入的高频信号。当定子频率降为零时,相电流近似为一直流,这时电机转速为零。图8为当给定转子频率为0Hz 时,突加负载和突卸负载所得到的电机转速、转矩、相电流、以及利用磁通跟踪法观测到的磁通位置波形。从图8可看出,由于准确观测到了转子的磁通位置,使异步电机矢量控制在极低转速下的控制性能得到了极大改善。特别是,电机能够在极低转速下迅速地响应负载转矩的变化, 从而使异步电机的应用范围得到了有效的扩展。 图6 电机正反转时(1～-1Hz ) 电流 及转子磁通位置波形 图7 定子频率由1Hz 变为0Hz ,再变为 1Hz 时的电流及观测磁通位置波形 由于在该磁通观测方法中,仅仅利用了高频注入下的d -q 轴响应电流的差异来观测磁通位置,因此对外界干扰,特别是对转子时间常数的变化具有较好的鲁棒性,并且有较好的观测精度。在与其他观测方法所作的对比实验中也证实了这一点。当转子时间常数变化50%时,仍然能够得到准确的转子磁 通位置。在传统电压模型转子磁通定向的矢量控制 图8 电机在零速时,突加负载和突卸负载时电机转速、 转矩、电流及转子磁通位置波形 中,当电机转速降到1Hz 以下时,由于对磁通位置 观测的误差使电机输出转矩迅速下降。当转速降到0.3Hz 时,输出转矩几乎降到了零。从图8可看出,由于对转子磁通位置的准确观测,即使是在零转速时,也能够输出额定转矩。 试验用异步电动机参数:极对数p =2,定子电阻r s =1.58,转子电阻r r = 1.268,定子电感L s =0.1696H ,转子电感L r =0.1696H ,互感L m =0.1633H ,额定功率P mn =4.4kW 。逆变器参数:额定功率P n =2kW 。 5 结 论 通过对异步电动机高频下的电机模型的分析,得到了同步旋转坐标系下电机高频阻抗在d -q 轴上不对称的特性。该特性与电机主磁通的饱和程度以及电机的结构有关。利用上述特性,通过磁通跟踪的方法可以精确地观测出转子磁通位置并且在此基础上完成了无速度传感器异步电机极低速下的矢量控制。试验表明,上述方法在电机稳态、动态以及零速下均可取得令人满意的结果。同时,对转子磁通位置的观测不受电机参数变化以及负载变化的影响,并且不需要对电机进行专门设计。该系统主要缺点在于高频信号的注入使电机噪音较大,因此还需进一步探索并加以解决。 (下转第1176页) 4 结 论 本文以等效电流法为基础计算了定子非正交绕组单相电机稳态运行转速。等效电流可用支路绕组中的电流表示,它与等值电路中序阻抗乘积又等于感应电势,这样就借助等效电流建立了支路电流与感应电势的关系,这是等效电流法的实质。在分析过程中,为规范并便于编程起见,以回路电流为变量列写了用矩阵形式表示的方程式。本文用一维求解的直接法求出电机带风机类负载运行时的稳定转速。计算结果表明,随着定子主、副绕组间相差的电角度不同,电机带负载后的稳定运行转速也不同。此外,用M ATLAB编程求解矩阵方程也比较简单。 总之,用等效电流法分析非正交连接定子绕组单相电机运行性能有其独到的优点,新方法的规范性与实用性为分析类似的电机提供了一条有效途径。 参考文献 (References) [1]孙云鹏.单相异步电动机及其应用[M].北京:机械工业出 版社,1994. 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W U Xin zhen,WANG https://www.360docs.net/doc/b98855642.html,w ork analysis m ethod to an induction m otor w ith complexity of s tator connection [J].T ransactions of C hina Electr otechnical S ociety,2003, 18(1):1014.(in Chinese) (上接第1172页) 参考文献 (References) [1]Rajashekara K,Kaw amura A,M atsus e K.Sensor-Less Control of AC M otor Drives[M].New York:IEEE Press Book,1996. [2]陈杰,李永东.异步电动机控制策略及无速度传感器系统工 程综述[A].中国CACS’[C].天津,1998. CHEN Jie,LI Yongdong.Control strategy of induction machines and speed sensorless system engin eering survey [A].C ACS'[C].T ianjin,1998.(in Chinese) [3]Ohtani Ts ugutoshi,Tanaka Noriyak i,Tanaka Koji.Vector control of in duction motor w ith out s haft en coder[J].I E EE T ransaction on Ind ustry A pp lication,1992,28(1):157 164. [4]Hu Jun,W u Bin.New integration algorithms for estimatin g motor flux over a w ide speed range[J].I E EE Tr ansac tions on P ow er E lec tronics,1998,13(5):969977. 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DONG Lei,L I Yongdong,CHAI Jianyun,et al.Rotor flux pos ition detection of a speed s en sor-less induction motor drive at very low T ransactions of China Electr otechnic al S ociety,2001,23.(in Chinese) 2010年第5期 D 驱动控制rive and co n trol 基 于模型参考自适应的异步电动机无速度传感 器 63 收稿日期:2009-09-25 基于模型参考自适应的异步电动机无速度传感器DTC 姬宣德 (洛阳理工学院,河南洛阳471023) 摘 要:为了提高定子磁链的观测精度,将闭环磁链观测器用于直接转矩控制系统中取代传统的纯积分器;在磁链闭环观测器的基础上,依据模型参考自适应理论(M RA S)构造出了速度自适应观测器。仿真和实验结果表明,该方案成功地实现对转速的辨识,证明了方法的可行性。 关键词:模型参考自适应;直接转矩控制;磁链观测器;速度自适应观测器 中图分类号:T M 343 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2010)05-0063-04 A synchronousM otor Sensor less DTC Study Based onMRA S JI X uan -de (Luoyang I nstitute o f Science and Techno l o gy ,Luoyang 471023,China) Abstract :In o rder to i m prove the accuracy observati on of sta tor fl ux ,t he c l o sed-loop flux observer w as used i n the DTC s to rep l ace t he traditi onal pure i ntegrator i n t h is paper .O n the basis of t he closed-loop fl ux observer ,the speed adap ti ve observer w as constructed based onM RA S .S i m u lati on and experi m enta l results show t hat the c losed-loop fl ux observer stator fl ux can i m prove the accuracy of observ ati on ,and tha t the speed adapti ve observe r can i ncrease speed observed prec i si on .T he syste m,t herefore ,ma i n tai ns a good perfor m ance at a re l a ti ve l y lo w speed .T he prog ram can be successfu ll y a ch i eved on t he speed o f i dentificati on ,and using the speed i dentificati on a l go rith m can m ake d irect t o rque contro l sy stem ob ta i n a good l ow -speed perfor m ance . K ey word s :M RA S ;direct t o rque contro;l fl ux observer ;speed adapti ve observe r 0引 言 直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种异步电动机变频调速技术。直接转矩控 制系统低速性能难以提高的重要原因是低速时定子磁链难以准确观测。传统的方法是采用纯积分器(U -I 模型)作为磁链观测器,而积分器本身具有误差积累以及直流偏移问题,尤其是异步电动机运行于低速时这些问题变得非常严重,使得定子磁链在低转速下的观测变得不准确,从而使直接转矩控制系统在低转速下的控制性能受到影响。为了满足高性能交流传动的需要,对速度进行闭环控制,而速度传感器的安装增加了系统的复杂性,降低了系统的可靠性和鲁棒性,并增加了系统成本和维护要求。本文利用闭环磁链观测器取代传统的纯积分器以观测定子磁链,模型参考自适应理论(MRAS)构造出了速度自适应观测器实现对速度的估计。最后对该无速度传感器异步电动机DTC 系统进行仿真和实验,仿真和实验结果证明了该方案的正确性。 1直接转矩控制的工作原理 图1是无速度传感器直接转矩控制系统的工作 原理图。利用三相/两相(3s/2s) 坐标变换把被测量 图1 无速度传感器直接转矩控制系统工作原理图 三相电压u a 、u b 、u c 和三相电流i a 、i b 、i c 变换成在 、 坐标系下的电压u 、u 和电流i 、i ,通过磁链观测器得到 ^ 、 ^ 。由 ^ 、 ^ 、i 、i 形成转矩模型输出反馈转矩T e ;由定子磁链 ^ 、 ^ 形成磁链幅值模型输出定子磁链幅值 s ;利用检测到的电机转速与给定转速通过转速调节器输出给定转矩T * e ;把在 、 坐标系下的磁链分量投影到三相定子轴线上,得到磁链区间识别器判断出定子磁链所在的区间!。然后利用反馈转矩T e 与给定转矩T * e 比较形成 转矩开关信号;与此同时,利用反馈磁链幅值 无速度传感器矢量控制（SLVC）基于对转子位置的反复计算，任何原因引起的转子位置信息丢失（定向丢失）将导致不可预知的结果。不正确的电机调试、电源故障引起的温度信息丢失，以及类似的干扰均有可能导致定向丢失。 无速度传感器矢量控制需要精心的调试和设置，这应该由具有MM4 / G120 SLVC 操作经验的调试工程师进行。 重要提示: SLVC 不应用于下列情形: 1. 电机－变频器功率比值小于 1:4 2. 最大输出频率大于 200Hz 3. 多机传动 4. 变频器与电机间接有接触器，变频器运行时，绝对不允许打开接触器 5. 提升机 当变频器定向信息丢失，OFF1 或 OFF3 将不再能够使电机停车，这就是在调试变频器时，必须连接OFF2或脉冲禁止功能的原因(可参考 ID: 7497349 How can the MM440 be shut down in the event of loss o f Vector action?). 推荐的调试方法 正确地输入电机参数以及完成电机识别对于SLVC的正确工作极其重要，执行的顺序也很重要，因为快速调试生成初始电机模型，而电机识别则对这一模型进行改进。 实现过程如下： 1. 快速调试与初始电机模型 P0003 = 2 (访问级别 2) P0010 = 1 (快速调试) P0300 及接下来的电机参数根据电机铭牌进行设置。 P0700, P1000, P1080/P1082, P1120/P1121 选择命令源，选择设定值源，Fmin/Fmax, 斜坡时间等等。 P1300 = 20 无速度传感器矢量控制 P1910 = 1 (A0541 将随之出现> 参见2. 使用P1910进行电机识别) P3900 = 1 计算电机参数时，“busy”将出现在 BOP面板上，持续时间约为1分钟，在特大型变频器上将持续更久。在此之后，A0541将在BOP面板上闪烁。 至此已完成快速调试并生成初始电机模型。 2. 使用P1910进行电机识别 必须完成2项自动测量。 注意：测量必须在冷机状态下进行。还需确保在P0625中已正确输入实际环境温度（工厂设定为20°C），输入环境温度必须在完成快速调试（P3900）之后，执行电机识别之前进行。 P1910 = 1，给一个运行命令：启动电机参数测量。 肖金凤 1971年1月 生,1994年毕业于湖南大学电气与信息工程学院电机专业,学士学位,2004年毕业于湖南大学电气与信息工程学院控制工程专业,硕士学位,讲师。主要研究方向为电机智能控制、工业过程控制及综合自动化。 异步电动机无速度传感 器矢量控制系统设计 * 肖金凤1 , 黄守道2 , 李劲松 1 (1.南华大学,湖南 衡阳 421001;2.湖南大学,湖南 长沙 410082) 摘要 文章提出一种基于模糊神经网络的模型参考自适应电机转速辨识方法,将其与SVP WM 调制技术控制的变频器系统结合起来,组成了一种基于DSP 的异步电机无速度传感器矢量控制系统。具体介绍了其结构及软硬件的设计。仿真结果表明此系统动态性能好,能准确跟踪电机转速的变化。 关键词 异步电动机 无速度传感器 SVP WM 矢量控制 数字信号处理器 Fiel d Oriented Control Syste m of Speed Sensorless Based on DSP X iao Jinfeng ,Huang Shoudao ,L i Jingsong (1.N anhua Un iversity ;2.H unan Un i v ersity ) Abstract :This paper presents a ne w m et h od of i n ducti o n m otor speed identifica -ti o n .It is the co m binati o n o f f u zzy neural net w ork (FNN )w ith m odel reference adap -ti v e syste m (MRAS).W e co m bi n e this m ethod w it h the i n verter contro lled by space vector pulse w idth m odu lati o n (SVP WM )to for m a field oriented con tro l syste m o f speed senso rless based on DSP . Its struct u re and soft w are and hardw are are ana -l y zed .The S i m u lation results sho w that the contro l syste m has better dyna m ic per -f o r m ance and can accurately track the variati o n of the m otor speed . K ey w ords :I nducti o n m oto r Speed sensorless SVP WM F ield oriented con -tro l (FOC) DSP *湖南省自然科学基金资助项目(编号:02JJ Y 2089) 1 引言 异步电动机的数学模型由电压方程、磁链方 程、转矩方程和运动方程组成,是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。采用传统的控制策略对其进行控制时,动态控制效果较差。目前异步电动机控制研究工作正围绕几个方面展开:采用新型电力电子器件和脉宽调制控制技术;应用矢量控制技术及现代控制理论、智能控制技术;广泛应用数字控制系统及计算机技术;无速度传感器控制技术。本文以电机控制专用芯片 T M S320F240为核心,采用磁通、转速闭环的矢量控制策略,利用SVP WM 脉宽调制技术、无速度传感器及智能控制技术,设计了一电机控制系统。仿真结果表明该控制系统抗干扰能力强,动态性能好。 2 速度估计策略 模型参考自适应方法(MRAS)是应用较广的速度估计方法。本文设计的模型参考自适应速度估计系统为减少定子电阻的影响选择瞬时无功功率模型,同时为有效解决瞬时无功功率模型参考 40 异步电动机无速度传感器矢量控制系统设计《中小型电机》2005,32(2) 无速度传感器矢量控制技术的行业现状与展望 The Comprehensive Status Analysis and Future Development Tendency of Sensor-less Vector Control (SVC) Technology 1 引言 交流传动在高性能场合的应用始于矢量控制概念的引入，包括直接磁场定向与间接磁场定向控制。尽管这一概念早在60年代就已出现，并由Siemens 的Blaschke博士于1972年正式提出，但是真正应用还是在微电子技术发展的二十年后。矢量控制从基本原理上讲能够获得优异的动静态特性，但是对电机参数的敏感性却成为实际应用中必须解决的问题。驱动器通过启动前的自整定以及运行过程中的在线整定，适应电机参数变化，保持矢量控制的动静态性能，这些复杂的自适应控制算法都必须通过强大的信号处理器才能完成。 近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及，矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合，乃至家用电器。交流驱动器已在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用。随着半导体技术的飞速发展，功率器件在不断优化，开关速度在提高而损耗在下降，功率模块的功率密度在不断增加;数字信号处理器的处理能力愈加强大，处理速度不断提升，交流驱动器完全有能力处理复杂的任务，实现复杂的观测、控制算法，现代交流传动的性能也因此达到前所未有的高度。以代表交流驱动控制最高水平的交流伺服为例，其需求随着新的生产技术与新型加工原料的出现而迅速增长。据相关统计，高性能交流伺服驱动器数量的年增长率超过12%。伺服驱动中应用最多的电机是异步电机及同步电机，额定功率从50W到200kW，位置环、速度环以及转矩环路的典型带宽分别为60Hz、200Hz 以及1000Hz。 交流电机驱动中的大部分问题应当说在当今的驱动器中已经得到解决，相关的成熟技术提供了被业界广泛接受的解决方案，并在许多领域中得到成功应用，因此从基本结构上来讲，交流驱动器的现有设计方案在未来的几年中不会有大的变化。现在，交流驱动器开发的一个重点是如何将驱动器与电机有机地结合在一起，开发出更低成本、高可靠性、高性能“驱动模块”。基于这一思路，为进一步减小成本、提高可靠性，开发人员在如何省去轴侧传感器以及电机相电流传感器进行了深入的研究，特别是高性能无速度传感器矢量控制(SVC)的实现吸引了各国研发人员的广泛关注，并已成为近年来驱动控制研究的热点。随着具有强大处理能力的数字信号处理器的推出，实现该控制方式所需要的高鲁棒性、自适应的参数估计以及非线性状态观测成为可能，新的无速度传感控制方案不断推出。Siemens、Yaskawa、Toshiba GE、Rockwell、Mistubishi、Fuji等知名公司纷纷推出自己的SVC控制产品(本文所指SVC均针对异步电机)，控制特性也在不断提高。SVC目前已在印刷、印染、纺机、钢铁生产线、起重、电动汽车等领域中广泛应用，在高性能交流驱动中占有愈来愈重要的地位。 2 无速度传感器矢量控制的优势 概括来说，无速度传感器矢量控制可以获得接近闭环控制的性能，同时省去了速度传感器，具有较低的维护成本。与传统V/Hz控制比较，无速度传感器矢量控制可以获得改进的低速运行特性，变负载下的速度调节能力亦得到改善，同时还可获得高的起动转矩，这在高摩擦与惯性负载的起动中有明显的优势。正是由于这些驱动特性，该控制技术已逐渐成为通用恒转矩驱动应用的选择。事实上，基本上所有的AC驱动厂家都提供该控制模式。 Schneider公司的驱动市场经理Susan Bowler认为，该控制模式的吸引人之处在于利用最小的附加费用获得大大增强的性能，包括低速特性、转矩响应及定位能力等。由于其性能接近伺服驱动，公司在拓展需要更精确负载定位控制的场合。该公司的第三代Altivar无速度传感器驱动产品具有自调谐特性，确保驱动器在电机运行参数随时间发生变化的情况下 说明：下面程序取自IFX 8位机无传感器PMSM电机矢量控制程序。整个程序是连续的矢量控制计算函数，其中有图片说明打断，便于更好的理解。其中包括坐标系变换,磁链角估算，PI速度环电流环调节。（单片机XC886，Keil编译器Cavin整理） 坐标系变换说明：双电阻采样得到两相电流(ia, ib)，由abc120°静止坐标系Clarke变换到直角坐标系(iα, iβ)，由(iα, iβ)静止直角坐标系Park变换到直角旋转坐标系(iq, id)。直流id不变，通过PI速度环电流环得到期望直流iq，进行限幅控制。由旋转坐标系(vq, vd)经过Park逆变换到静止坐标系(vα, vβ)，然后再经过矢量调制成PWM控制电机。无传感器角度估算：由Clarke变换得到(iα, iβ)和由Park逆变换得到的(vα, vβ)，经过低通滤波器PT1，再由直角坐标系变极坐标系得到磁链估算角 无传感器开环启动策略：在定子中加入幅值及频率都受控的电流，若PLL收敛,切换到FOC闭环控制。 软件流程图： void FOC_Calculation (void) using 1 { #pragma asm ;************************************** ;* FOC_Calculation ;************************************** ;* ;* this function contains all calculations ;* necessary for the field oriented control. ;* ;* register bank 1 is used ;* ;************************************** ;* push registers ;************************************** push ACC push b push dph push dpl push PSW push SYSCON0 ; use register bank 0x01 mov PSW,#0x08 ;;anl SYSCON0,#0xFE ; use standard SFRs mov CCU6_PAGE,#0xA0 ; select CCU6-page 0 SST2 ;************************************** 课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位：武汉理工大学 题目: 无速度传感器的矢量控制系统仿真 初始条件： 电机参数为：额定电压U=380V、频率50 =、定子电阻s R=0.252Ω、 f Hz 额定功率P=2.2KW、定子自感 L=0.0016H、转子电阻r R=0.332Ω、额定转速 s n=1420rpm、转子自感r L＝0.0016H、级对数p n＝2、互感m L＝0.08H、转动惯量J=0.6Kgm2 要求完成的主要任务: （1）设计系统原理图; （2）用MATLAB设计系统仿真模型； （3）能够正常运行得到仿真结果,包括转速、转矩等曲线，并将推算转速与实际转速进行比较 参考文献： [1] 洪乃刚.《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》.北京：机械 工业出版社，2005:212-215 时间安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表 具体时间设计内容 12.5 指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介 绍；学生确定选题，明确设计要求 12.6－12.9 开始查阅资料，完成方案的初步设计 12.10—12.11 由指导老师审核设计方案，学生修改、完善并对其进行分析 12.12－12.13 撰写课程设计说明书 12.14 上交课程设计说明书，并进行答辩 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 摘要 异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电机的调速方案。矢量控制是目前交流电动机较先进的一种动态模型,它又有基于转差频率控制的、无速度传感器和有速度传感器等多种矢量控制方式。无速度传感器控制的高性能通用变频器是当前全世界自动化技术和节能应用中受到普遍关心的产品和开发课题。本文介绍无速度传感器的矢量控制系统的原理和Matlab仿真。 关键词：矢量控制、无速度传感器、Matlab 龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/b98855642.html, 浅谈交流电机无速度传感器控制策略 作者：吴宏宇吴兴宇史运涛 来源：《科技风》2016年第24期 摘要：目前，随着工业自动化的不断发展，交流电机将会被广泛使用。同时由于无速度 传感器技术具有低成本与高可靠性等优点，所以发展交流电机无速度传感器技术，对于提高科技生产力以及工业自动化具有极其重要的意义。本文将简要介绍高性能无速度传感器交流电机控制策略，一种是异步电机与速度自适应全阶观测器相结合，另一种永磁同步电机与滑模观测器相结合的控制方法，旨在进一步促进高性能无速度传感器交流电机控制策略的发展。 关键词：交流电机；无速度传感器；全阶观测器；滑模观测器 随着电力电子技术、微电子技术、现代电机控制理论的迅速发展，交流电机获得快速的推广与应用[ 1 ]。目前，在高性能交流电机控制领域中矢量控制[ 2 ]已经被广泛应用。在实际应用中，为了进一步提高交流电机在不同环境下运行的可靠性，交流电机无速度传感器控制技术被提出。无速度传感器控制方法主要分为两大类，一种为外部信号注入，这种方法只适应于极低速的工况运行，同时额外的信号注入会带来高损耗、噪声等问题。另一种为基于交流电机模型的方法，如：模型参考自适应[ 3 ]、卡尔曼滤波[ 4 ]、滑模观测器[ 5 ]、自适应全阶观测器[ 6 ]等方法，这些方法具有很高的控制精度以及鲁棒性。 本文将重点介绍自适应全阶观测器、滑模观测器与矢量控制在交流电机无速度传感器技术中的应用。 1 速度自适应全阶观测器 对于异步电机来说，定子磁链和电磁转矩通常无法直接得到，一般是采用实时测量的电压电流信息和电机参数，并根据电机数学模型构造观测器来对内部的状态变量进行估计。全阶观测器在较宽范围内都有很高的观测精度[ 7 ]，通过引入速度自适应环节后可以在观测定子磁链的同时估计电机转速，实现无速度传感器控制。 在全阶观测器的设计中，反馈增益矩阵与自适应率系数的设计直接关系到系统的稳定性、鲁棒性以及收敛速度[ 7 ]。为了保证系统的稳定性与收敛性，本文将介绍一种采用极点左移的方法来设计增益矩阵并对其进行简化，最终得到一个常数增益矩阵。引入速度自适应环节，可以利用李雅普诺夫函数推导出转速估计的自适应率[ 7 ]，在实际应用中为了保证估计转速的收敛速度一般采用PI调节器来代替纯积分环节。 2 滑模观测器 在无速度传感器永磁同步电机控制策略中，滑模观测器被广泛应用，因为其具有结构简单、鲁棒性强以及快速的动态响应[ 8 ]。滑模观测器的主要思想是通过选取滑模面与滑模增益 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 现代交流电动机的智能控制 --电机无位置、无速度传感器的设计 班级：电气 姓名： 学号: 完成日期： 2015年1月3日 电机无位置、无速度传感器的设计 【摘要】近年来，随着现代电力电子技术以及现代控制理论的飞速发展，促进了永磁同步电机无位置传感器控制技术的不断进步。无位置传感器永磁同步电机调速系统不仅具有结构简单、易维护、运行效率高、调速性能好等优点，还具有体积小、成本低、可靠性高以及能应用于一些特殊场合的特点。本文以正弦波驱动的永磁同步电动机为研究对象，采用滑模观测器的方法，研究并实现了永磁同步电机驱动控制系统的无位置传感器技术。 【关键词】永磁同步电机，无位置传感器，矢量控制 一、永磁同步电机数学模型 永磁同步电机(PMSM)的定子结构与普通感应电动机的定子一样，均为三相对称绕组结构，转子的磁路结构是它区别于其它类型电机的主要因素。为了更好的分析和控制，需要建立简便可行的永磁同步电机数学模型。 永磁同步电动机是一个多输入、强耦合、非线性系统，因此其电磁关系十分复杂。为了简化分析，作出如下假设： (1)忽略磁路饱和、涡流和磁滞损耗； (2)转子上没有阻尼绕组，永磁体没有阻尼作用； (3)电机的反电势正弦，定子电流在气隙中只产生正弦分布磁势，忽略磁场高次谐波。 图1为表装式永磁同步电机的结构图，为了简化，这里转子设为一对磁极结构。从图1中可知，永磁同步电机的定子绕组结构与感应电机相同，三个电枢绕组空间分布，轴线互差 120°电角度。这里以 A 相绕组轴线作为定子静止参考轴，定义转子永磁极产生的磁场方向为直轴(d 轴)，则沿着旋转方向超前直轴 90°电角度的位置为交轴(q 轴)，并且以转子直轴相对于定子 A 相绕组轴线作为转子位置角θ。 ???? ??????+????????????????????=??????????c b a c b a c b a c b a i i i R R R u u u ???000000 三相定子电流主要作用是产生一个旋转的磁场，从这个角度来说，可以用两相系统来等效，这里就引入了旋转两相dq 坐标,于是得到 PMSM 在dq 轴系的电压方程： 交流感应电动机无速度传感器的 高动态性能控制方法综述 清华大学 杨耕 上海大学 陈伯时 摘要:文章分析了交流感应电机无速度传感器的高动态性能控制方案的控制要点。在介绍国内外产业界已实用化的、以及正在研发中的几种代表性的控制策略的同时,讨论了各种方法理论要点和实际应用中的特点。最后,介绍了当前的几个研究热点问题并就发展方向提出了一点设想。 关键词:异步电动机控制 无速度传感器 转矩控制 磁链观测 速度辨识 Rev iew the M ethods for the Speed Sen sor-less Con trol of I nduction M otor Yang Geng Chen Bo sh i Abstract:T h is paper analyzes theo retical po ints of the i m p lem entati on fo r h igh perfo r m ance contro l of in2 ducti on mo to r w ithout speed senso r.A fter that,typ ical app roaches of the contro l strategy,w h ich are used in p ractical p roducts o r are being developed recently,are p resented and the characteristic of each app roach is dis2 cussed.F inally,som e unso lved p roblem s being researched as w ell as the develop ing po tentials are introduced. Keywords:contro l of inducti on mo to r speed senso r2less to rque contro l flux observer speed identifica2 ti on 1 前言 交流感应电机的无速度传感器高动态性能控制,是为了实现与有速度传感器的矢量控制(或直接转矩控制)相当的转矩和速度性能的方案,被用于无法设置速度传感器的设备或新一代高性能通用变频器之中[1,2]。相关的理论与技术也成为近10年来交流传动领域的热门研发内容之一。 本文主要综述在无速度传感器的前提下,具有速度反馈控制环的矢量控制方案(V C)和直接转矩控制方案(D TC),而不讨论诸如“V F控制+为补偿负载变动的滑差补偿”等只考虑静态的方法。本文在介绍各种方法的同时,综述其理论要点和实际应用中的特点、介绍所应用的厂家,从中总结出实现高动态性能控制的要点及主要成果。最后,介绍当前几个研究热点问题。 2 控制方法 211 方法分类的出发点 一般地,由转矩控制环及速度控制环构成的无速度传感器矢量控制(或直接转矩控制)系统由图1所示的3个环节构成。即:①速度调节器;②磁链和转矩控制器;③速度推算或辨识器(含磁链计算或观测) 。 图1 无速度传感器控制系统构成 对于环节②,需要控制转矩和磁链。由此可以分为:a以转子磁链定向控制为基础的矢量控制策略。目前常用的有计算滑差频率的被称为间接法(I V C)和把状态观测器观测到的转子磁链进行反馈控制的直接法(DV C)。b以控制定子磁链为特点的,被称之为直接转矩控制策略(D TC)。 环节③的结构依存于环节②的结构。实际上在计算或推定速度值时,常常也要获得(计算或观测)磁链(转子的或是定子的)值。因此,按其理论上的特点,可以把获得转速和磁链的方法大致分 3 电气传动 2001年 第3期 无速度传感器 在高性能的异步电机矢量控制系统中，转速的闭环控制环节一般是必不可少的。通常，采用光电码盘等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。但是，由于速度传感器的安装给系统带来一些缺陷：系统的成本大大增加；精度越高的码盘价格也越贵；码盘在电机轴上的安装存在同心度的问题，安装不当将影响测速的精度；电机轴上的体积增大，而且给电机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电机的简单坚固的特点；在恶劣的环境下，码盘工作的精度易受环境的影响。因此，越来越多的学者将眼光投向无速度传感器控制系统的研究。国外在20世纪70年代就开始了这方面的研究，但首次将无速度传感器应用于矢量控制是在1983年由R．Joetten完成，这使得交流传动技术的发展又上了一个新台阶，但对无速度传感器矢量控制系统的研究仍在继续。 2无速度传感器的控制方法 在近20年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，无速度传感器控制技术的发展始于常规带速度传感器的传动控制系统，解决问题的出发点是利用检测的定子电压、电流等容易检测到的物理量进行速度估计以取代速度传感器。重要的方面是如何准确地获取转速的信息，且保持较高的控制精度，满足实时控制的要求。无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本；另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电机与控制器的连线，使得采用无速度传感器的异步电机的调速系统在工程中的应用更加广泛。国内外学者提出了许多方法。 （1）动态速度估计法主要包括转子磁通估计和转子反电势估计。都是以电机模型为基础，这种方法算法简单、直观性强。由于缺少无误差校正环节，抗干扰的能力差，对电机的参数变化敏感，在实际实现时，加上参数辨识和误差校正环节来提高系统抗参数变化和抗干扰的鲁棒性，才能使系统获得良好的控制效果。 （2）PI自适应控制器法其基本思想是利用某些量的误差项，通过PI自适应控制器获得转速的信息，一种采用的是转矩电流的误差项；另一种采用了转子q轴磁通的误差项。此方法利用了自适应思想，是一种算法结构简单、效果良好的速度估计方法。 （3）模型参考自适应法（MRAS）将不含转速的方程作为参考模型，将含有转速的模型作为可调模型，2个模型具有相同物理意义的输出量，利用2个模型输出量的误差构成合适的自适应律实时调节可调模型的参数（转速），以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。根据模型的输出量的不同，可分为转子磁通估计法、反电势估计法和无功功率法。转子磁通法由于采用电压模型法为参考模型，引入了纯积分，低速时转子磁通估计法的改进，前者去掉了纯积分环节，改善了估计性能，但是定子电阻的影响依然存在；后者消去了定子电阻的影响，获得了更好的低速性能和更强的鲁棒性。总的说来，MRAS是基于稳定性设计的参数辨识方法，保证了参数估计的渐进收敛性。但是由于MRAS的速度观测是以参考模型准确为基础的，参考模型本身的参数准确程度就直接影响到速度辨识和控制系统的成效。 （4）扩展卡尔曼滤波器法将电机的转速看作一个状态变量，考虑电机的五阶非线性模型，采用扩展卡尔曼滤波器法在每一估计点将模型线性化来估计转速，这种方法 无速度传感器说明： 在现代交流调速系统中，为了获得高性能的转速控制，采用了速度闭环控制，必须在电机轴上安装速度传感器。但在实际系统中，速度传感器的安装往往受到一些限制，主要存在以下几个问题[3,4]： 1) 速度传感器的安装降低了系统的鲁棒性和简单性； 2) 高精度的速度传感器价格一般比较贵，增加了系统成本； 3) 在一些恶劣的条件下（如高温、潮湿等），速度传感器的安装会降低系统 的可靠性； 4) 速度传感器的安装存在一些困难，如果安装不当会成为系统的一个故障 源。 为了避免这些问题，使得人们转而研究无需速度传感器的电机转速辨识方法。近年来，这项研究也成为交流传动的一个热点问题。国外在20世纪70年代开始了这方面的研究。而首次将无速度传感器应用于矢量控制是在1983年由R.Joetten 完成的，这使得交流传动技术的发展又上了一个新的台阶。在其后的十几年中，国内外的学者在这方面做了大量的工作，到目前为止，提出了许多种方法，大体上可以分为：①动态转速估计器；②模型参考自适应（MRAS ）；③基于PI 调节器法；④自适应转速观测器；⑤转子齿谐波法；⑥高频注入法；⑦基于人工神经元网络的方法。 以下分别讨论动态转速估计器，模型参考自适应（MRAS ），基于PI 调节器法，滑模变结构观测器，在第二章建立的异步电机矢量控制仿真实验平台上仿真。 动态转速估计器[3] 这种方法从电机的电磁关系式，转速的定义中得到关于转差的表达式。电机角速度等于同步角速度s ω与转差角速度sl ω之差。 s sl ωωω=- （3-1） 同步角速度可以由静止坐标系下的定子电压方程式推得，由图3-1矢量关系可知 2 2 s s s s s s s s s s d d arctg dt dt p p βαβααβ αβ ωθψ? ?==?? ψ?? ψψ-ψψ= ψ+ψ （3-2） 1、PG卡是变频器控制带编码器电机时的选件.构成闭环控制.主要是实现高精度的带编码器(PG)矢量闭环控制.PG卡和带编码器的电机是变频器实现最高的控制精度的方式.可实现电机速度控制和位置控制(定位). 2、变频器的无PG矢量控制怎么接线？ 无PG矢量控制接线与其它的变频器一样接线。（与PG矢量控制区别就是没有电机编码器的接线了。） 主要是控制方式选择PG矢量控制，并且要进行电机的自学习，以供变频器采集电机的必要参数。 3、变频器中说的有PG矢量控制中的PG指的是什么啊？ PG:pulse Quantizer 就是脉冲编码器 有PG矢量控制，就是有编码器的矢量控制，也就是闭环矢量控制 4、变频器的VF控制和无PG 矢量控制什么区别怎么使用 区别在于无PG反馈矢量控制机械硬度较好,控制精度和调速范围更好些,但要求较多.V/F控制适用于大多数控制. 5、无PG矢量控制一般用在什么样的负载上呢？速度和转矩与VF控制有什么区别 回答 无PG反馈的矢量变频器通过变频器内部的检测电流测出三相输出电压和电流值矢量，通过变换电路得到两个相互垂直的电流信号，再用这两个信号通过运算调节器控制逆变电路的输出。整个过程全部在变频器内完成，工程上称为无PG反馈的矢量变频器。3．变频器矢量控制功能的设置只设置“用”或“不用”即可。4．设置矢量控制功能时应符合的条件(1) 变频器只能连接一台电动机；(2) 电动机应使用变频器厂家的原配电动机，若不是原配电动机，应先进行自整定操作；(3) 所配备电动机的容量比应配备电动机的容量最多小一个等级； (4) 变频器与电动机之间的电缆长度应不大于50m。(5) 变频器与电动机之间接有电抗器时，应使用变频器的自整定功能改写数据。 在需要较高精度的控制场合下,可选用无PG反馈的控制,比如数控车床：作为主轴电动机的驱动系统，可以根据切削需要改变主轴的转速，随着工件直径的变化，主轴转速亦随着变化，保持刀具的恒线速切削。还可以由数控系统控制主轴运行、停止，正、反转以及与进刀系统保持严格的传动比关系，完成工件的自动加工，从而大大提高工作效率和工件的成品率。一般可选用普通U∕f控制变频器，为了提高控制精度选用矢量控制变频器效果更好。 V/F控制方式在低速下输出机械转矩有所下降(如需要可设置转矩补偿,升高输出电压),后者低速高速转矩都一样;在转速方面都是一样的,只是对V/F控制来说,当负载转矩波动时会出现转速的变化. 无速度传感器矢量控制需解决的问题矢量控制从基本原理上讲能够获得优异的动静态特性，但是对电机参数的敏感性却成为实际应用中必须解决的问题。驱动器通过启动前的自整定以及运行过程中的在线整定，适应电机参数变化，保持矢量控制的动静态性能，这些复杂的自适应控制算法都必须通过强大的信号处理器才能完成。 无速度传感器矢量控制尽管省略了闭环控制中使用的速度传感器，SVC仍然需要采用电压、电流传感器对电机进行控制，在高速运算处理器的平台上通过使用复杂的电机模型与高强度的数学运算，对传感器输入信号进行处理获得电机控制所需的磁通与转矩分量，再通过自适应的磁场向量方法实现解耦控制，以获得良好的动态响应。 应当说，该控制方式目前没有标准的解决方案，SVC控制的关键在于正确的转速估计与解耦控制，但这两者之间又存在相互耦合的关系。转速估计的精度不仅决定于测量的定子电压与电流，同时与电机参数密切相关。在数字化电机控制系统中，转速估计的精度又与采样频率以及反馈信号的分辨率有关，而转速估计的精确程度不仅影响到速度控制的 准确度, 也会影响到速度环路补偿器的设计。这些问题环环相扣, 稍有失误甚至会影响到系统的稳定性。 SVC技术要实用化，必须解决几个基本问题:磁通辨识、速度估计以及参数适应性。过去十几年里，研究人员开发出了多种磁通辨识与转速估计方法。其中以磁场定向为基础的转速估计法由于其快速性与较高的准确度，已成为行业设计的主流。 无论是磁通辨识还是速度估计，对参数的依赖性都较强，也正是因为如此SVC与采用速度或位置传感器的闭环磁通矢量控制(FVC)相比，对电机参数的变化更为敏感，在速度调节与转矩响应等动态指标上要落后于FVC控制。目前业界对SVC参数整定的设计包括初始整定与在线整定两种。有关参数自适应这方面的研究仍在深入，如何提高SVC系统的适应性、鲁棒性无疑是一个重要的研究课题。 总的来看，由于不需要速度传感器，SVC的电机控制模型要十分精确。从运算量来讲，SVC控制比FVC更为复杂，这也使得无速度传感器控制的难度要明显高于闭环控制。由于电机参数在运行过程变化很大， 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 说明:下面程序取自IFX 16位机无传感器PMSM电机矢量控制程序。程序架构是C语言嵌套汇编。其中坐标系变换是汇编编写。有插图说明,便于更好的理解。其中包括坐标系变换,磁链角估算,PI速度环电流环调节。(单片机XC2236N,Tasking 编译器Cavin整理 坐标系变换说明:双电阻采样得到两相电流(ia, ib,由abc120°静止坐标系Clarke 变换到直角坐标系(iα, iβ,由(iα, iβ静止直角坐标系Park变换到直角旋转坐标系(iq, id。直流id不变,通过PI速度环电流环得到期望直流iq,进行限幅控制。由旋转坐标系(vq, vd经过Park逆变换到静止坐标系(vα, vβ,然后再经过矢量调制成PWM控制电机。 无传感器角度估算:由Clarke变换得到(iα, iβ和由Park逆变换得到的(vα, vβ,经过低通滤波器PT1,再由直角坐标系变极坐标系得到磁链估算角无传感器开环启动策略:在定子中加入幅值及频率都受控的电流,若PLL收敛,切换到FOC闭环控制。 /******************************************************************* ********* ************************************************************************ ****/ /*********************************************************************** ***** ******************************************************************** ********/ //****************************************************************** ********** // @Function int clarke_trans(int Phase_s, int Phase_t, int *ia; // ISSN 1000-0054CN 11-2223/N 清华大学学报(自然科学版)J T singh ua Un iv (Sci &Tech ),2003年第43卷第9期 2003,V o l.43,N o.95/37 1169-1172,1180 无速度传感器异步电动机极低转速下的矢量控制 冬 雷, 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:2002-08-18 基金项目:国家自然科学基金资助项目(59877010)作者简介:冬雷(1967-),男(汉),河北,博士后。 通讯联系人:李永东,教授,E -mail :liyd @mail .tsin ghua .edu .cn 摘 要:在较低转速下,对异步电机转子磁通位置的观测比较困难,因此在定子边注入与电机控制量无关的高频信号,是提取转子磁通位置信息的有效方法之一。为此,该文分析了异步电机高频脉振信号注入下的电机模型,得到了异步电机同步参考坐标系下的阻抗不对称的特点,提出了磁通跟踪的方法,通过检测高频脉振信号注入时的响应电流,来观测转子的磁通位置,并以此为基础实现了无速度传感器异步电机极低转速下的矢量控制。实验结果表明,该方法在异步电机极低转速(包括零速)下能准确地观测出转子磁通位置,对电机的参数和负载变化具有鲁棒性,并且能够在零速时输出额定转矩。 关键词:异步电机;矢量控制;无速度传感器控制;磁通 跟踪 中图分类号:T M 921.51 文献标识码:A 文章编号:1000-0054(2003)09-1169-04 Vector control of a speed sensor -less induction motor at very low speed DONG Lei ,LI Yongdon g (Department of Electrical Engineering ,T s inghua University ,Beij ing 100084,China ) Abstract :T he rotor flux angle of an induction machine at ver y low speed cann ot eas ily es timated; th erefore, an in dependen t high -frequen cy signal w as injected in to th e termin al of an induction motor to es tim ate the flu x angle.T his paper presents an an alysis of an indu ction motor model w ith a high-frequ ency fluctuating sign al injection.Wh en th e h igh-frequency fluctuating s ignal is injected into the termin al of the induction motor,the difference between the impedan ce of the d -an d q -axis of the syn chronous rotatin g referen ce fram e can be m easured.T he rotor flux angle is then tr ack ed by tuning the s pace vector of the hig h-frequency sign al for vector control of in duction motor s at very low s peed.E xperimental res ults verify that th e algorithm is r ob ust agains t parameter variations and load ch anges and th at the rated torque can b e p ut out at very low speed including zero. Key words :induction motor ;vector con trol; speed s ens or-less control;flux tracking 目前,在较高的电机转速范围内,异步电动机无速度传感器矢量控制系统的研究取得了令人瞩目的成果[1～5] ,然而,在极低转速下,由于受到电机基本模型的限制,对电机转子磁通位置的观测仍然不能满足人们的要求[6]。为了解决上述问题,必须从电机测量,如定子电压、电流中提取转子磁通位置信息。在低速时定子电流相对较小,对电流的检测会受到严重的干扰,同时系统对电机参数变化特别是转子时间常数的变化更加敏感。所以在极低速时,理想电机模型已经无法胜任矢量控制的要求。研究人员为此提出注入一个与控制量无关的高频信号,在极低速范围内有效地提取电机转子磁通位置信息。如文[7]提出了高频脉振信号注入的方法估计磁通位置。但是,所采用的异步电机模型不适合于高频脉振信号注入的分析,而且没有考虑转子磁通的饱和程度对电机的影响。 文[8]提出了一种用高频谐波信号注入的方法来估计磁通角度、转子位置和转速。但是该方法对封闭转子的电机效果不好,受电机负载的影响较大,不适合中小型电机。文[9,10]通过向异步电机注入离散的高频脉冲信号的方法,利用电机总漏感随转子位置变化的特性,精确地检测出电机在极低速甚至零速下的转子位置。然而,该方法中位置信号的检测受负载和转子斜槽等影响较大。 本文在分析了高频脉振信号注入下的电机模型,以及转子磁通的饱和程度对高频阻抗不对称影响的基础上[11,12],利用提出的磁通跟踪方法,以及高频信号注入下的同步旋转坐标系中高频阻抗的不对称性,通过检测高频响应电流的变化,观测出转子磁通位置,并且完成了异步电机在极低转速下的无基于模型参考自适应的异步电动机无速度传感器DTC
M440无传感器矢量控制模式
异步电动机无速度传感器矢量控制系统设计
无速度传感器矢量控制
8bit单片机FOC矢量控制PMSM电机无传感器
无速度传感器的矢量控制系统仿真
浅谈交流电机无速度传感器控制策略
电机无位置、无速度传感器的设计
交流感应电动机无速度传感器的高动态性能控制方法综述
无速度传感器简介
无速度传感器说明
无传感器矢量控制技术
无速度传感器矢量控制需解决的问题
感应电动机的无速度传感器控制研究.
PMSM电机无传感器FOC矢量控制_图文.
无速度传感器异步电动机极低转速下的矢量控制