无速度传感器变频调速系统转速辨识方法研究

作者简介：张敬恩(1983- )，女，硕士研究生，研究方向为机电传动与控制。

随着电力电子技术、计算机技术和变频调速控制技术的发展，高性能的变频调速系统得到了广泛的应用，其一般离不开速度的闭环控制，这样必须实时获取电机转速。通常人们是利用电机同轴安装高精度的速度或位置传感元件，如光电编码盘和测速发电机等。但速度传感器的存在不仅阻碍了电机向高速化、小型化的方向发展，同时其安装也给系统带来了一些缺陷：(1)系统成本大大增加，精度越高的码盘价格也就越贵；(2)存在同心度问题，安装不当将影响转速的检测；(3)使电机轴向上体积增大，而且给其维护带来一定困难，降低了系统的机械鲁棒性；(4)在高温、高湿的恶劣环境下无法工作，而且码盘工作

精度易受环境条件的影响。

由于以上缺陷，使得人们改为研究无需速度传感器的电机转速辨识方法。20世纪70年代，有学者提出利用电流、电压等易于测量的物理量对电机转速进行辨识的无速度传感器技术，它解决了因安装速度传感器给传动系统造成的上述问题。目前，国外已有实用的无速度传感器通用变频器产品，而国内在无速度传感器变频调速方面的研究起步较晚，与国外有很大的差距。因此开发具有完全自主知识产权的无速度传感器变频产品已成为当务之急。

1 转速辨识方法分类

从电机模型理想化程度的角度可将无速度传感

无速度传感器变频调速系统转速辨识方法研究

张敬恩

(大连交通大学，辽宁 大连 116028)

Abstract: From the angle of ideal perspective of motor models, the speed sensor-less control strategy is divided into two categories of ideal model and non-ideal characteristics to identify rotation speed. Introduction and analysis were made to theoretical key points and advan-tages and disadvantages of several relatively typical speed identi fi cation methods. On basis of direct rotation torque control, speed sensor-less frequency control system model was designed and carried out simulation, test parameters and simulation diagram given. Also the future research direction is to raise dynamic and static characteristics of the control system further; to improve performance under low speed; to strengthen robustness of the system to motor parameters change, so as to reduce complexity of the system and to make study results more practical.

Key words: speed sensor-less; frequency control; speed identi fi cation

ZHANG Jing-en

（Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China ）

Study on Speed Identi fi cation Methods for Speed

Sensor-Less Frequency Control System

摘 要：从电机模型理想化程度的角度将无速度传感器控制策略分为基于理想模型的转速辨识方法和基于非理想特性的转速辨识方法两大类。介绍和分析了几种比较典型的转速辨识方法的理论要点和优缺点，在直接转矩控制基础上设计了无速度传感器变频调速系统模型并进行仿真，给出了试验参数及仿真图形，并提出了今后的主要研究方向是：进一步提高控制系统的动静态特性，改善低速下的性能；增强系统对电机参数变化的鲁棒性；降低系统的复杂性，使得研究成果更为实用化。

关键词：无速度传感器；变频调速；转速辨识

中图分类号：TM921.51；TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2010)02-0018-05

器控制策略分为两大类：(1)基于理想模型的转速辨识方法；(2)基于非理想特性的转速辨识方法。

第一类方法是利用电机的数学模型和检测到的定子端电流、电压信号来估算电机的速度，如直接计算法[1]、模型参考自适应法(MRAS)[2]、扩展卡尔曼滤波法(E K F)等。这类方法依赖于电机的理想模型，即具有一些理想化假设的电机模型：电机的动态方程(派克方程)假定电机三相绕组对称，绕组产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布，只考虑电机气隙基波磁场的作用，忽略磁路饱和、磁滞和涡流，忽略绕组的集肤效应等。

第二类方法是通过提取定子端电流、电压谐波中包含的有关电机转子位置和速度信息来辨识电机的速度，如转子齿谐波法、高频信号注入法[3-4]、基于人工神经网络估计法[5-6]等。这类方法基于被忽略的电机非理想特性，比如磁饱和、集肤效应、齿槽效应、人造转子凸极、转子偏心等。

2 转速辨识原理

经过几十年的发展，在矢量控制和直接转矩控制这两种高性能的交流调速控制方法上，无速度传感器技术已获得了相当广泛的应用。现将几种比较典型的转速辨识方法的理论要点和优缺点介绍如下。

2.1 基于理想模型的转速辨识方法

2.1.1 直接计算法

这种方法的出发点是根据电机的基本电路和电磁关系式，推导出关于转速或转子位置角的估计表达式，包括异步电机无速度传感器的矢量控制、转差频率计算法、基于状态方程的直接综合法及永磁同步电机的基于电机端电压和电流检测的直接计算方法。该方法的特点是计算简单，动态响应快。但它对电机参数的准确性要求比较高，随着电机运行状况的变化(如温度升高)，电机参数会发生一定的变化，导致转速和位置的估算偏离真实值，而这种方法没有补偿或校正环节。因此，应用这种方法时最好结合电机参数的在线辨识。而且这种方法最大的问题在于，当电机的转速低于最低转速(典型的为基速的5%)时，反电动势的值很小，几乎无法准确测量，此时这种方法将不再适用。由于磁链由反电动势积分求得，再加上积分器的零漂问题使得到的磁链值会有积分误差。当电机转速较低时，问题更为严重。总之，在实现系统时，加上系统辨识和误差校正环节来提高系统抗参数变化和干扰的鲁棒性，是这种方法获得良好效果的努力方向之一。2.1.2 模型参考自适应法

MRAS也是一种较常用的估算转子位置和速度的方法。其辨识参数的主要思想是将不含未知参数的方程作为参考模型，而将含有待估计参数的方程作为可调模型，两个模型具有相同物理意义的输出量，利用两个模型输出量的误差构成合适的自适应律来实时调节可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。这方面较有影响的是Shcuader提出的方法[7]，如图1所示，选取不含有真实转速的磁链方程(电压模型)作为参考模型，含有待辨识转速的磁链方程(电流模型)作为可调模型，以转子磁链ψ和ψ作为比较输出量，采用PI自适应律估计转速ω，状态和速度的渐进收敛性由Popov的超稳定性理论来保证[8]。

MRAS在异步电机及永磁同步电机的无速度传感器控制中已有很多应用。但是这种方法基于电机的基波模型，电机参数发生变化时，转速的估计精度将下降，尤其在电机低速运行时更为严重。

由于MRAS的速度观测是以参考模型的准确为基础的，参考模型里包含的电机参数准确程度将影响到速度辨识和控制效果，所以需要考虑对多个参数同时进行辨识，并保证参数和系统状态同时收敛到真值。所以，M R A S法今后的主要研究方向有：(1)合理选取参考模型和可调模型，力求减少变化参数的个数；(2)选择参数自适应律，在提高收敛速度的同时保证系统的稳定性和对参数的鲁棒性。

2.1.3 扩展卡尔曼滤波法

卡尔曼滤波是20世纪60年代初提出的一种最小方差意义上的最优预测估计的方法，它的突出特点是可有效削弱随机干扰和测量噪声的影响。扩展卡尔曼滤波法则是线性卡尔曼滤波器在非线性系统中的推广应用。如果将电机转速也看作一个状态变量，而考虑电机的五阶非线性模型，在每一步估计

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图1 自适应转速辨识系统原理图

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