臺(tái)達(dá)變頻器無(wú)傳感器矢量控制技術(shù).doc

臺(tái)達(dá)變頻器無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)摘要：本文主要闡述臺(tái)達(dá)變頻器的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)，此控制技術(shù)展現(xiàn)出在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制上的突破，是未來(lái)矢量控制的主要方法之一。Abstract: In this paper, a control technique based on FOC Sensorless for induction motor inside Delta inverter is presented. This control technique can display the breakthrough on the vector control of induction motor, which is one of the main methods of future vector control.1、 引言基于CLARK-PARK變換的磁場(chǎng)定向矢量控制（FOC）已經(jīng)在變頻器調(diào)速領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其可實(shí)現(xiàn)感應(yīng)馬達(dá)的解耦化控制，使得轉(zhuǎn)矩輸出能力最大化，是工業(yè)生產(chǎn)中高端應(yīng)用必選的控制方式。但是FOC的一大缺陷在于，其速度回授必須依賴(lài)速度檢測(cè)裝置，例如編碼器等，若無(wú)速度檢測(cè)裝置，則無(wú)法形成有效的速度閉環(huán)，從而造成矢量控制無(wú)法進(jìn)行。高精度、高分辨率的速度傳感器價(jià)格昂貴，提高系統(tǒng)成本的同時(shí)，還限制了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用，因此，省去速度檢測(cè)裝置的無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)（FOC Sensorless）越來(lái)越受到重視，國(guó)內(nèi)外研究的進(jìn)展都很快，部分技術(shù)已經(jīng)實(shí)用化，并整合進(jìn)變頻器產(chǎn)品中。FOC Sensorless的方案很多，涉及現(xiàn)代控制理論與人工智能控制，主要方法有模型參考自適、自適應(yīng)觀測(cè)器和卡爾曼濾波器等，其中以模型參考自適應(yīng)方法最為成熟，已經(jīng)整合進(jìn)產(chǎn)品，本文以該方法進(jìn)行FOC Sensorless介紹。2、 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)2.1系統(tǒng)理論介紹模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（Model Reference Adaptive System, MRAS）是從20世紀(jì)50年代后期發(fā)展起來(lái)的，這類(lèi)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是采用參考模型，由其規(guī)定了系統(tǒng)所要求的性能。1989年，國(guó)外學(xué)者首次利用一種基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)速，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示： 圖1 MRAS基本結(jié)構(gòu)圖1中，參考模型和可調(diào)模型被相同的外部輸入所激勵(lì)，和分別是參考模型和可調(diào)模型的狀態(tài)矢量。參考模型用其狀態(tài)規(guī)定了一個(gè)給定的性能指標(biāo)，這個(gè)性能指標(biāo)與測(cè)得的可調(diào)系統(tǒng)的性能比較后，將其差值矢量輸入自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，由自適應(yīng)機(jī)構(gòu)來(lái)修改可調(diào)模型的參數(shù)，使得它的狀態(tài)能夠快速而穩(wěn)定地逼近，也就是趨近于零。從而使得可調(diào)模型完全等效于參考模型。2.2參考模型、可調(diào)模型和狀態(tài)變量由于只有定子電壓和電流是可以直接測(cè)量的，所以通常由定子ABC軸系表示的定、轉(zhuǎn)子電壓矢量方程來(lái)構(gòu)成MRAS，即有： （2-1） （2-2）定子電壓矢量方程中沒(méi)有電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變量，而轉(zhuǎn)子電壓矢量方程中包含有轉(zhuǎn)子速度信息，所以將定子電壓矢量方程作為參考模型，而將轉(zhuǎn)子電壓矢量方程作為可調(diào)模型。 轉(zhuǎn)子電壓矢量方程中含有轉(zhuǎn)子電流矢量，是不可測(cè)量的，應(yīng)設(shè)法將其消去。由轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠匠蹋?（2-3）可得 （2-4）將式（2-4）代入式（2-2），即有： （2-5）這樣，可由式（2-5）構(gòu)成可調(diào)模型。在MRAS中，參考模型和可調(diào)模型兩者比較的是同一狀態(tài)矢量，在式（2-1）和式（2-5）中，可調(diào)模型的狀態(tài)變量為，而參考模型的狀態(tài)變量為，應(yīng)將兩者的狀態(tài)變量統(tǒng)一起來(lái)。這里，將轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶孔鳛閮烧呖杀容^的同一狀態(tài)矢量。由定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠匠炭傻茫?（2-6）將式（2-6）代入定子電壓矢量方程（2-1），則有 （2-7）于是，可由式（2-7）構(gòu)成參考模型。將式（2-7）和式（2-5）寫(xiě)成坐標(biāo)分量形式，即以靜止DQ坐標(biāo)表示，可得 （2-8） （2-9）式（2-8）表示的參考模型又稱(chēng)為轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型，因?yàn)樗怯蓽y(cè)量的定子電壓和電流而確定的。式（2-9）表示的可調(diào)模型又稱(chēng)為轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型，因?yàn)槿魧⑥D(zhuǎn)子速度作為一個(gè)已知的參數(shù)，那么轉(zhuǎn)子磁鏈便可由測(cè)量的定子電流而求得。 這里，認(rèn)為參考模型是理想的模型，由它表示的電動(dòng)機(jī)狀態(tài)與實(shí)際相符，即轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶渴钦鎸?shí)而又準(zhǔn)確的。在可調(diào)模型中，假定參數(shù)、和是準(zhǔn)確的不變參數(shù)，而轉(zhuǎn)速是可調(diào)參數(shù)，也就是需要辨識(shí)的參數(shù)，記為。如果由可調(diào)模型估計(jì)的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶颗c參考模型確定的相同，即二者誤差為零，那么轉(zhuǎn)速估計(jì)值一定與實(shí)際值一致，如果兩者有偏差，說(shuō)明估計(jì)值與實(shí)際值不一致。顯然，轉(zhuǎn)速估計(jì)偏差與兩個(gè)模型估計(jì)的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶空`差間一定有必然的聯(lián)系，這種聯(lián)系即為自適應(yīng)規(guī)律。2.3利用感應(yīng)電壓矢量估計(jì)轉(zhuǎn)速 在眾多的自適應(yīng)規(guī)律方法中，感應(yīng)電壓矢量估計(jì)法是最為實(shí)用的，這是因?yàn)槠渌惴ㄒ子趯?shí)現(xiàn)，且狀態(tài)量為定子電流，易于檢測(cè)。 將式（2-7）寫(xiě)成以下形式，即 （2-10）在基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制中，由感應(yīng)馬達(dá)等效電路圖可得： （2-11）為轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶可傻母袘?yīng)電壓，如用而不用轉(zhuǎn)子磁鏈來(lái)構(gòu)建MRAS，雖然采用的仍然是式（2-8），但不再需要積分器，這樣就避免了積分引起的低頻問(wèn)題。 同樣，可將轉(zhuǎn)子電壓矢量方程（2-5）寫(xiě)成以下形式，即： （2-12）方程中含有轉(zhuǎn)速，因此可將此方程作為可調(diào)模型，而將式（2-11）作為參考模型?？蓪⒄`差信息定義為，即： （2-13）式中，和是參考模型中的坐標(biāo)分量，由式（2-11）可知： （2-14） （2-15）同理，和是可調(diào)模型中的坐標(biāo)分量，由式（2-12）可得： （2-16） （2-17）由式（2-13）獲得的誤差信息可計(jì)算出當(dāng)前的速度信息 （2-18）將式（2-13）至（2-18）代入圖1中，可得如下模型參考自適應(yīng)關(guān)系圖：圖2 基于電壓矢量轉(zhuǎn)速估測(cè)的MRAS結(jié)構(gòu)3、 基于MRAS的FOC Sensorless臺(tái)達(dá)變頻器控制3.1控制架構(gòu)采用基于MRAS的FOC Sensorless控制模式可與矢量控制有效地結(jié)合起來(lái)，即將估算出的速度進(jìn)行速度回授，從而完成速度環(huán)控制，同時(shí)通過(guò)馬達(dá)參數(shù)自學(xué)習(xí)，將勵(lì)磁曲線(xiàn)參數(shù)進(jìn)行有效估測(cè)，以完成矢量控制的勵(lì)磁環(huán)構(gòu)造。馬達(dá)參數(shù)自學(xué)習(xí)曲線(xiàn)如下： 圖3 馬達(dá)參數(shù)自學(xué)習(xí)曲線(xiàn)圖3中，黃線(xiàn)即為馬達(dá)勵(lì)磁電流曲線(xiàn)，可見(jiàn)當(dāng)頻率超過(guò)基頻以上時(shí)，其越來(lái)越小，并且記錄相應(yīng)的Lm，從而能夠通過(guò)table了解到當(dāng)前頻率下的id電流值與Lm勵(lì)磁電感，并能推算出。 FOC Sensorless控制系統(tǒng)圖如下所示：圖4 FOC Sensorless控制系統(tǒng)圖圖4中FLUX REFERENCE模塊負(fù)責(zé)計(jì)算出當(dāng)前的id勵(lì)磁電流，它的基礎(chǔ)即為馬達(dá)參數(shù)自學(xué)習(xí)中獲取的超頻電流與電感對(duì)應(yīng)信息，通過(guò)該信息可以獲取高頻下的勵(lì)磁電感與磁通信息，構(gòu)成ADR控制回路。同時(shí)，F(xiàn)LUX REFEREMCE模塊推算出的勵(lì)磁磁通，可以計(jì)算出iq轉(zhuǎn)矩電流，從而完成AQR控制回路。通過(guò)得到的iq和歷次磁通和計(jì)算出偏移角，從而完成CLARK-PARK變換。MRAS SPEED ESTIMATOR模塊為模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估測(cè)模塊，它負(fù)責(zé)估算出當(dāng)前的轉(zhuǎn)子速度，其具體算法在第二部分已經(jīng)詳細(xì)介紹。最終在FLUX REFENCE與MRAS SPEED ESTIMATOR兩個(gè)模塊的作用下，F(xiàn)OC Sensorless矢量控制形成。3.2臺(tái)達(dá)無(wú)傳感器算法變頻器當(dāng)前，臺(tái)達(dá)VE與C2000系列變頻器均以開(kāi)始FOC Sensorless的應(yīng)用測(cè)試，不久將會(huì)整合至標(biāo)準(zhǔn)韌體中，C2000與VE均為高性能矢量控制型變頻器，但C2000為VE的升級(jí)機(jī)種，其功能更為強(qiáng)大，頻寬也更快，控制方式也更為豐富，是未來(lái)的主推機(jī)種。圖5 臺(tái)達(dá)C2000與VE外觀圖3.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在臺(tái)達(dá)VE系列變頻器上進(jìn)行FOC Sensorless控制實(shí)驗(yàn)，首先進(jìn)行馬達(dá)參數(shù)自學(xué)習(xí)，將馬達(dá)參數(shù)進(jìn)行偵測(cè)，而后對(duì)必要參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如下所示：表1 FOC Sensorless實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定表參數(shù)地址參數(shù)內(nèi)容參數(shù)描述00-105FOC Sensorless控制模式00-200頻率命令來(lái)源為面板00-210運(yùn)轉(zhuǎn)指令來(lái)源為面板11-001PI AUTO MODE11-1150零速頻寬調(diào)大FCMD10HZ從面板設(shè)定頻率指令實(shí)驗(yàn)采取的為1HP 400V系列 VE變頻器，并搭配臺(tái)達(dá)750W伺服馬達(dá)，進(jìn)行帶載測(cè)試，將伺服的出力從0逐步以10%遞增，直到80%，觀測(cè)變頻器轉(zhuǎn)矩電流逐步增加，但是馬達(dá)轉(zhuǎn)速為300RPM并保持不變，輸出頻率隨著負(fù)責(zé)的增加也增大，整個(gè)曲線(xiàn)狀況滿(mǎn)足矢量控制特性，表明臺(tái)達(dá)FOC Sensorless控制策略的可靠。圖6 FOC Sensorless實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)圖4、 結(jié)語(yǔ)基于MRAS模型參考自適應(yīng)方法的FOC Sensorl