異步電機無速度傳感器矢量控制研究

摘要：選取電壓模型為基礎，引入參考值補償策略保證電機在低速運行時可準確測得轉子轉速。硬件方面設計了由雙DSP控制板和兩電平逆變器組成的電機控制系統(tǒng)。在TMS320LF2407A和TMS320VC33組成的雙DSP控制板中，TMS320VC33的高浮點計算能力解決了編程和計算精度的問題，利用TMS320LF2407A自身的硬件特點實現(xiàn)快速通信、采樣等功能。
關鍵詞：異步電機；傳感器；矢量控制；磁通觀測

1 引言
在高性能的異步電機矢量控制系統(tǒng)中，轉速信息的獲取必不可少。電機速度信息的辨識方法分為直接法和間接法。前者通過電子式或機電式速度傳感器來獲取電機速度信息，通常分為M法和T法來進行測速；后者通過測量電機的定子電流、定子電壓等信號，根據電機的模型間接估計辨識電機的轉速信息。然而由于速度傳感器的安裝給系統(tǒng)帶來了如成本增加，易受干擾，適應性差，加大電機體積和軸向尺寸等問題，因此對無速度傳感器轉速估算方法的研究成為高性能交流調速的主要發(fā)展方向。使用無速度傳感器控制方案，無需速度檢測硬件，避免了速度傳感器帶來的諸多問題，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了系統(tǒng)成本，同時，減小了系統(tǒng)體積和重量，減少了電機與控制器的連線，使采用無速度傳感器的交流電機調速系統(tǒng)在工程中的應用更廣泛。

2 控制原理
異步電機是一種多輸入、多輸出、非線性、強耦合系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)轉矩表達式為：
Te=KITφmI2cosφ2 (1)
式中：KIT為與電機參數(shù)有關的常數(shù)；φm為電機氣隙磁通有效值；I2cosφ2為電機轉子電流有功分量。
由式(1)可見，感應電機的Te與定子電流無直接關系，并且電機的三相定子電流既要產生電機中的旋轉磁場，又要產生電磁轉矩，定子電流的激磁分量和轉矩分量又與電機的設計情況和負載有關，很難將兩者區(qū)分開?？紤]到電機的動態(tài)過程，情況將更加復雜，因此異步電機要想將勵磁電流和轉矩電流分開比較困難，而矢量控制則解決了此問題。
由異步電機的數(shù)學模型出發(fā)，經過坐標變換，得到轉子磁場定向坐標系中的異步電機模型。
定、轉子電壓、電流方程(標量形式)為：

整理轉子d軸電壓方程得到轉子磁場定向下的磁鏈模型為：

由轉子磁場定向磁鏈模型可見：ψr和定子電流d軸分量isd之間為一階環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為轉子時間常數(shù)。在穩(wěn)態(tài)時，ψr的大小完全取決于isd的大小，控制isd即可獲得所需的ψr。由式(3)可見，當ψr恒定時，Tem由定子電流q軸分量isq決定?？刂苅sd，isq就可以獨立地控制ψr和Tem從而實現(xiàn)二者解耦控制，使控制系統(tǒng)簡化。
基于上述交流異步電機的無速度傳感器矢量控制框圖如圖1所示。

圖中檢測的電機電流經過3／2變換，變換后isα，isβ為α，β坐標系下的電機定子電流。同時逆變器發(fā)出的電壓usα，usβ進入磁鏈觀測模塊，isα，isβ同時進入旋轉坐標變換模塊得到同步旋轉d，q坐標系下的電機定子電流isd，isq。isd進入磁鏈觀測模塊，通過磁鏈觀測模塊的計算得到估計的電機同步轉速。給定磁鏈ψr*和給定的電機力矩電流isq*進入滑差計算模塊得到滑差轉速經減法器計算出轉子轉速再經過低通濾波器(LPF)濾波得到估計的轉子轉速與給定轉速ωr*經過減法器，再經過速度控制器輸出指令電機轉矩經過轉矩電流計算模塊，計算出isq*。ψr*經過磁場計算模塊計算出給定的電機磁場電流isd*。isq*與檢測的電機力矩電流isq進入減法器，再經電流控制器產生給定的電機力矩電壓。isd*與檢測的電機磁場電流isd進入減法器，再經電流控制器產生給定的電機磁場電壓。給定的電機力矩電壓和給定的電機磁場電壓分別加上補償電壓，進入旋轉變換模塊，通過電壓變換模塊，施加到三相感應電機上。
根據上述分析，要想實現(xiàn)轉子磁場定向控制，必須知道轉子磁鏈；另外由轉速計算公式可知，要想計算轉速，也必須觀測磁鏈，知道了磁鏈角度就可計算同步頻率和轉矩電流，用轉矩電流和轉子磁鏈幅值可計算滑差頻率，同步頻率減去滑差頻率就可得到轉速。因此，要實現(xiàn)無速度傳感器矢量控制，首先要準確觀測磁鏈。

3 磁鏈觀測
靜止坐標系中的電壓型轉子磁鏈模型為：

電壓模型可以根據加在電機上的電壓與電機電流經過積分計算估計出轉子磁鏈。該模型框圖如圖2所示。

電壓型轉子磁鏈觀測模型高速性能較好，但在低速時因為電機產生的反電動勢較小，檢測信號的信噪比較低，在此基礎上計算得到的轉子磁鏈不太準確，而且存在積分器漂移問題。
該問題解決方案為將輸出結果再通過一個高通濾波器s／(s+ωc)將低頻成份和直流漂移濾掉。

式中：ωc為截止頻率；x為系統(tǒng)輸入；y為系統(tǒng)輸出；1／s為純積分環(huán)節(jié)。
由式(8)可知，純積分和一階高通濾波的組合可等效為一階慣性環(huán)節(jié)。但高通濾波器的引入帶來了磁鏈檢測的幅值和相位的誤差。為了補償磁鏈的幅值和相位變化，同時還要使積分穩(wěn)定，在此采用了以下改進方法。