異步電機無(wú)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(shí)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。在TMS320LF2407A和TMS320VC33組成的雙DSP控制板中，TMS320VC33的高浮點(diǎn)計算能力解決了編程和計算精度的問(wèn)題，利用TMS320LF2407A自身的硬件特點(diǎn)實(shí)現快速通信、采樣等功能。
關(guān)鍵詞：異步電機；傳感器；矢量控制；磁通觀(guān)測

1 引言
在高性能的異步電機矢量控制系統中，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(guò)電子式或機電式速度傳感器來(lái)獲取電機速度信息，通常分為M法和T法來(lái)進(jìn)行測速；后者通過(guò)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帶來(lái)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(wèn)題，因此對無(wú)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(wú)速度傳感器控制方案，無(wú)需速度檢測硬件，避免了速度傳感器帶來(lái)的諸多問(wèn)題，提高了系統可靠性，降低了系統成本，同時(shí)，減小了系統體積和重量，減少了電機與控制器的連線(xiàn)，使采用無(wú)速度傳感器的交流電機調速系統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(xiàn)性、強耦合系統，其穩態(tài)轉矩表達式為：
Te=KITφmI2cosφ2 (1)
式中：KIT為與電機參數有關(guān)的常數；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(jiàn)，感應電機的Te與定子電流無(wú)直接關(guān)系，并且電機的三相定子電流既要產(chǎn)生電機中的旋轉磁場(chǎng)，又要產(chǎn)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(guān)，很難將兩者區分開(kāi)?？紤]到電機的動(dòng)態(tài)過(guò)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(kāi)比較困難，而矢量控制則解決了此問(wèn)題。
由異步電機的數學(xué)模型出發(fā)，經(jīng)過(guò)坐標變換，得到轉子磁場(chǎng)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(chǎng)定向下的磁鏈模型為：

由轉子磁場(chǎng)定向磁鏈模型可見(jiàn)：ψr和定子電流d軸分量isd之間為一階環(huán)節，其時(shí)間常數為轉子時(shí)間常數。在穩態(tài)時(shí)，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(jiàn)，當ψr恒定時(shí)，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(shí)現二者解耦控制，使控制系統簡(jiǎn)化。
基于上述交流異步電機的無(wú)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(jīng)過(guò)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(shí)逆變器發(fā)出的電壓usα，usβ進(jìn)入磁鏈觀(guān)測模塊，isα，isβ同時(shí)進(jìn)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(jìn)入磁鏈觀(guān)測模塊，通過(guò)磁鏈觀(guān)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(jìn)入滑差計算模塊得到滑差轉速經(jīng)減法器計算出轉子轉速再經(jīng)過(guò)低通濾波器(LPF)濾波得到估計的轉子轉速與給定轉速ωr*經(jīng)過(guò)減法器，再經(jīng)過(guò)速度控制器輸出指令電機轉矩經(jīng)過(guò)轉矩電流計算模塊，計算出isq*。ψr*經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)計算模塊計算出給定的電機磁場(chǎng)電流isd*。isq*與檢測的電機力矩電流isq進(jìn)入減法器，再經(jīng)電流控制器產(chǎn)生給定的電機力矩電壓。isd*與檢測的電機磁場(chǎng)電流isd進(jìn)入減法器，再經(jīng)電流控制器產(chǎn)生給定的電機磁場(chǎng)電壓。給定的電機力矩電壓和給定的電機磁場(chǎng)電壓分別加上補償電壓，進(jìn)入旋轉變換模塊，通過(guò)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(shí)現轉子磁場(chǎng)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(guān)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(shí)現無(wú)速度傳感器矢量控制，首先要準確觀(guān)測磁鏈。

3 磁鏈觀(guān)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(jīng)過(guò)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(guān)測模型高速性能較好，但在低速時(shí)因為電機產(chǎn)生的反電動(dòng)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(wèn)題。
該問(wèn)題解決方案為將輸出結果再通過(guò)一個(gè)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為系統輸入；y為系統輸出；1／s為純積分環(huán)節。
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。但高通濾波器的引入帶來(lái)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(shí)還要使積分穩定，在此采用了以下改進(jìn)方法。