感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的閉環(huán)轉(zhuǎn)速估計(jì)方法

    劉思華，王英，胡廣大

    (1哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001；2大連交通大學(xué)，遼寧大連116028)

    摘要：為降低計(jì)算量，提高無速度傳感器感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速估計(jì)速度與磁鏈的定向準(zhǔn)確性，基于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電流速度模型，設(shè)計(jì)了一種簡單的閉環(huán)速度估計(jì)方法，用于無速度傳感器感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中的速度估計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用中的有效性。

    關(guān)鍵詞：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；電流速度模型；閉環(huán)速度估計(jì)；無速度傳感器

0引  言

    感應(yīng)電動(dòng)機(jī)使用維護(hù)方便，運(yùn)行可靠，價(jià)格低，因而在工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。而在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制策略中，基于無速度傳感器的矢量控制技術(shù)又得到了大量的研究和使用。在無速度傳感器技術(shù)中，速度估計(jì)的好壞直接影響交流無速度傳感器控制系統(tǒng)的性能，近年來成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

    許多學(xué)者采用了多種電機(jī)轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法來盡可能地提高轉(zhuǎn)速估計(jì)的精度和速度。基于電壓電流的模型參考自適應(yīng)方法(MRAs)因存在純積分環(huán)節(jié)，辨識(shí)準(zhǔn)確性差，且受定子電阻影響，低速時(shí)不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[2]提出用高頻諧波信號注入法估計(jì)速度，可提高低速性能，但受負(fù)載影響較大。文獻(xiàn)[3]使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)速估計(jì)，估計(jì)精度高，低速性能好，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的學(xué)習(xí)算法相當(dāng)費(fèi)時(shí)，限制了它在實(shí)時(shí)性要求高的矢量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。基于卡爾曼濾波器的轉(zhuǎn)速估計(jì)方法能夠有效地弱隨機(jī)干擾和測量噪聲的影響，但容易受電機(jī)參數(shù)變化的影響，而且計(jì)算量很大。基于以上分析，本文提出了一種簡單的速度估計(jì)方法，其原理簡單，計(jì)算量小。對于由于純積分環(huán)節(jié)帶來的初值和直流漂移等問題，本文采用了一種具有限制幅值作用的經(jīng)修改的積分器來對磁鏈進(jìn)行觀測，有效地提高了磁鏈和速度估計(jì)的準(zhǔn)確性。

1感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型

在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型為：

R_s、L_s、R_r、L_r、L_m分別為定子電阻、定子電感、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子電感以及互感；i_sd、i_sq、ψ_rd、ψ_rq分別為d、q軸上的定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈；ω_T為同步轉(zhuǎn)速；ω_r為電機(jī)轉(zhuǎn)速；ω_s為轉(zhuǎn)差，ω₁-ω_r=ω_s；σ為電動(dòng)機(jī)漏磁系數(shù)

T_r為轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)．

為了在沒有電壓傳感器的條件下估計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈和速度，基于式(1)，可以得到一個(gè)靜止坐標(biāo)系(α，β)中的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電流速度模型：

在該模型中，電機(jī)磁鏈通過對其微分形式的積分來獲得，需要的是實(shí)測的電流和轉(zhuǎn)速信號。

2閉環(huán)磁鏈和速度估計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中要實(shí)現(xiàn)一個(gè)積分是非常困難的，因?yàn)橐粋�(gè)開環(huán)的積分器通常帶來直流漂移和一些初始化問題。本文中的磁鏈和速度通過一個(gè)簡單的估計(jì)算法來獲得，所采用的積分器有一個(gè)自反饋環(huán)節(jié)，這樣可以消除開環(huán)積分所帶來的直流漂移等問題。該改進(jìn)型積分器的原理框圖如圖l所示。

圖中，積分器的輸出由前饋和反饋兩部分組成。當(dāng)輸入信號頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于截止頻率ω_e時(shí)，反饋環(huán)節(jié)的增益將趨近于零，此時(shí)積分器的輸出僅由前饋部分組成；當(dāng)輸入信號頻率較低時(shí)，反饋環(huán)節(jié)的主要作用就是消除直流漂移問題。假定積分器的輸入為x，輸出為y，將一個(gè)純直流信號加到輸入上，則積分器的****輸出為：

只要適當(dāng)選取限幅

值L，就可以完全消除輸出中的直流成分。本文選取

即可滿足要求。

將式(2)和式(3)寫為如下形式：