電壓控制型異步電動機(jī)無速度傳感器的矢量控制方法

1、電壓控制型異步電動機(jī)無速度傳感器的矢量控制方法曾岳南馮垛生章云（廣東工業(yè)大學(xué)） 陳伯時（上海大學(xué)）摘  要：本文以轉(zhuǎn)子磁鏈q軸分量控制器的輸出作為電機(jī)轉(zhuǎn)速估計值，實現(xiàn)了一種無速度傳感器的矢量控制，該控制方式具有解耦條件對轉(zhuǎn)子電阻的變化保持不變的特點.計算機(jī)仿真與系統(tǒng)實驗結(jié)果驗證了所述方法的可行性關(guān)鍵詞：異步電動機(jī)；速度估計；矢量控制一、前言異步電動機(jī)電壓型矢量解耦控制實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩電流的獨立調(diào)節(jié)，被認(rèn)為是最好的交流電機(jī)調(diào)速控制策略之一1.然而該方法在實際應(yīng)用中存在兩點不足：1、當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻的設(shè)定值與實際值不一致時，解耦條件不再成立；2、系統(tǒng)中所采用的速度傳感器是一般工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)普

2、遍要求取消的矢量控制的解耦條件是轉(zhuǎn)子磁鏈q軸分量qr為零.因此，本文設(shè)計了一個qr控制器，并令其輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速估計值，實現(xiàn)了一種電壓控制型無速度傳感器的矢量控制.由于qr是根據(jù)與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)的磁鏈觀測器得到，因此解耦條件與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān).當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻的設(shè)定值偏離實際值時，轉(zhuǎn)差角頻率計算產(chǎn)生誤差，該誤差將導(dǎo)致速度估計穩(wěn)態(tài)誤差，且兩者相等.由于這一誤差較小，因此速度估計穩(wěn)態(tài)精度受轉(zhuǎn)子電阻變化的影響較小.本文對所述方法進(jìn)行了計算機(jī)仿真與系統(tǒng)實驗研究，結(jié)果表明所述方法是可行的.二、控制原理1、電壓控制型異步電動機(jī)矢量控制基本方程由文獻(xiàn)1得知，籠型異步電動機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d,q上的轉(zhuǎn)子電壓方程以及電壓

3、型矢量控制基本方程式其中式中參數(shù)與變量說明見附錄A.上標(biāo)*的變量及參數(shù)為給定值.當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻的設(shè)定值與實際值不一致時，由式(1)及式(3)可知，解耦條件不成立.2、電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度估計在無速度傳感器情況下，電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度r不能直接量測得到.由于r未知，所以s不能確定.現(xiàn)假定電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度可以估計得到，并令其為，則有同步角頻率計算式將(6)式代入(1)式，得到由(7)式以及(3)式知，如果附加一個使qr為零的控制，則在穩(wěn)態(tài)時，既實現(xiàn)了qr為零的解耦控制目的，同時又有因此，采用一個PI調(diào)節(jié)器對轉(zhuǎn)子磁鏈q軸分量qr進(jìn)行為零的調(diào)節(jié)控制，并令該調(diào)節(jié)器的輸出為.即有電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度估計式轉(zhuǎn)子磁鏈q軸分量qr可以

4、根據(jù)磁鏈觀測器(電壓模型法)得到.由上述分析知，速度估計與解耦控制是同時進(jìn)行的.當(dāng)qr為零的解耦條件達(dá)到時，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的估計值即為實際值.又由于磁鏈觀測器與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻的設(shè)定值與實際值不一致時，解耦條件不受影響3、轉(zhuǎn)子電阻變化速度估計精度的影響令轉(zhuǎn)子電阻的標(biāo)稱值為R*,變化值為R，則其實際值可表示為R=R*+R.(10)又由式(7)知，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈q軸分量qr處于零穩(wěn)態(tài)時，有將式(3)以及代入式(11)，整理得到由式(12)知，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻設(shè)定值與實際值不一致時，將導(dǎo)致速度估計誤差.該誤差即為轉(zhuǎn)差頻率計算誤差.三、計算機(jī)仿真實驗控制系統(tǒng)方框圖如圖1所示.仿真用電機(jī)參數(shù)見附錄B.

5、在以下仿真波形中為便于區(qū)分以及簡單起見，稱計算機(jī)仿真速度響應(yīng)與速度估計分別為實際速度和估計速度.稱計算機(jī)仿真轉(zhuǎn)子磁鏈d軸分量與q軸分量分別為d軸磁鏈和q軸磁鏈.圖1無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)方框圖圖2為電機(jī)帶額定負(fù)載起動時計算機(jī)仿真速度曲線.圖3與圖4分別為電機(jī)帶額 定負(fù)載運 行，轉(zhuǎn)子電阻突減50%標(biāo)稱值和突加50%標(biāo)稱值的計算機(jī)仿真速度曲線.圖5為電機(jī)帶額定負(fù)載 運行，轉(zhuǎn)子電阻突減50%標(biāo)稱值后又突加50%標(biāo)稱值的計算機(jī)仿真轉(zhuǎn)子磁鏈曲線.圖2帶額定負(fù)載起動時速度曲線圖3轉(zhuǎn)子電阻突減50%標(biāo)稱值的速度曲線圖4轉(zhuǎn)子電阻突加50%標(biāo)稱值的速度曲線圖5轉(zhuǎn)子電阻突變時的磁鏈響應(yīng)曲線四、系統(tǒng)實驗系統(tǒng)實驗在

6、自制雙CPU(80C196MC)控制IPM變頻器和異步電動機(jī)直流發(fā)電機(jī)機(jī)組上進(jìn)行，異步電動機(jī)參數(shù)見附錄C.圖6為斜坡給定空載起、制動速度波形.圖7為空載穩(wěn)定運行于1200r/min后突加81.8%額定負(fù)載時的速度與電流波形.圖8為帶81.8%額定負(fù)載穩(wěn)定運行于1200r/min后突減81.8%額定負(fù)載時的電流與速度波形.圖6起、制動速度波形圖7突加負(fù)載時的速度與電流波形圖8突減負(fù)載時的速度與電流波形五、結(jié)論本文對電壓控制型異步電動機(jī)無速度傳感器的矢量控制方法進(jìn)行了理論分析與計算機(jī)仿真和系統(tǒng)實驗研究，得出以下結(jié)論：1、轉(zhuǎn)子電阻不變時，本控制方法實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無靜差速度控制；2、穩(wěn)態(tài)時實現(xiàn)了解耦條件對

7、轉(zhuǎn)子電阻的變化保持不變；3、轉(zhuǎn)子電阻變化時，速度估計產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差.該誤差是由轉(zhuǎn)差角頻率計算誤差造成，且兩者相等；4、采用電壓型逆變器供電，所以用定子電壓指令值與定子電流檢測值計算轉(zhuǎn)子磁鏈qr.若對逆變器輸出死區(qū)時間不進(jìn)行補(bǔ)償，則會產(chǎn)生qr計算誤差.該誤差將影響速度估計精度.參考文獻(xiàn)(References)1Kouhei Ohnishi et al.Decoupling control of secondary flux and secondary current in induction motor drive with controlled voltage source and its co

8、mpa rison with voltage/hertz control.IEEE Trans.on Ind.Ap-pl.,1985,21(1):241-2472曾岳南，陳伯時等.無速度傳感器異步電動機(jī)電壓型解耦控制.控制理論與應(yīng)用，1996，13(1)：118-1203馮垛生，曾岳南編著.無速度傳感器矢量控制原理與實踐.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19974曾岳南，陳伯時，馮垛生.基于電壓解耦的異步電動機(jī)速度推算方法.1997，27(1)：25-29附錄 A符號說明(Symbol explanation)U：電壓；Lm：互感；I:電流；Tr：轉(zhuǎn)子回路時間常數(shù)；：磁鏈；L1s:定子漏感；R:電阻；L:自感sl：轉(zhuǎn)差角頻率；：角頻率.下標(biāo)，：，坐標(biāo)系參數(shù)量；下標(biāo)r,s：定、轉(zhuǎn)子參量；下標(biāo)d,q:d,q坐標(biāo)系參量.附錄 B仿真用三相異步電動機(jī)參數(shù)(Indutcion motor parameters used in simulation)銘牌數(shù)據(jù)：Vol:90,AMP:4.2,Hz:60,np:4,Torque:32kg.Cm,R.P.M.:1680實測參數(shù)：Rs:1.2,Rr:1.03,Ls:0.0805H,Lr:0.08377H,Lm:0.0777H,J:0.001kg*m2附錄 C實驗用三相異步電動機(jī)參數(shù)(Induction moto r paramters