无速度传感器感应电机改进转子磁链观测器(经典)

第１３卷
２截止频率自调整率设计
为了减小磁链幅值和相位的观测误差，ＬＰＦ的
截止频率应该选择较小的值。但是截止频率越小，
对直流偏移的抑制能力就越差，从抑制直流偏移的
角度考虑，希望在高频段惯性环节的极点应尽量远
离原点。可见在选择∞。值时存在着矛盾，为了能够
较好地解决这一问题，可根据实际运行频率按一定
比例ｋ来调整∞。，当运行频率较高时适当增大∞。，
Ｆｉｇ．３
Ｓｅｎｓｏｒｌｅｍ ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ
通过１ １ ｋＷ感应电机无速度传感器矢量控制实 验平台（如图４所示）对所提出的转子磁链观测器 进行验证采用１ｒＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ＤＳＰ来实现 控制算法。实验所用感应电动机额定参数为：Ｐ。＝ ｌｌ ｋＷ；Ｕ。＝３８０ Ｖ；，。＝２３ Ａ，∞。＝１４６０ ｒ／ｍｉｎ。电机 参数为：尺。＝０．３８５ Ｑ；Ｒ，＝０．３９３ Ｑ；Ｌ。＝８５．７ ｍＨ； Ｌ。＝Ｌ，＝８７．６ ｍＨ。ＤＳＰ系统时钟设为１５０ ＭＨｚ， ＰＷＭ调制频率为１０ ｋＨｚ，功率模块采用ＥＵＰＥＣ的 ＦＰ７５Ｒ１２ＫＥ３，电流信号检测采用霍尔传感器 Ｌ１８Ｐ５０Ｄ１５。为了比较磁链观测性能，通过分辨率 为１０２４的增量式编码器来检测实际转速。
图４ ｌｌｋＷ感应电机矢量控制系统实验平台
Ｆｉｇ．４
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ １１ ｋＷ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ
万方数据
第５期
无速度传感器感应电机改进转子磁链观测器
６４１
图５为运行频率由０ Ｈｚ变为５ Ｈｚ时两相静止 轴系中转子磁链观测波形图。图５（ａ）和图５（ｂ）为 未进行误差补偿的ＬＰＦ观测器得到的观测值，在低 频段存在较大的误差。图５（ｃ）和图５（ｄ）为采用所 提出的观测器得到的波形，可以看出这种磁链观测 器可以对ＬＰＦ在低频段引起的磁链观测误差进行 有效地补偿。
打乏（去Ｓ－－ｔｒＬ。ｉ，）。 （２）
式中：ｅ。为定子绕组的反电动势。 由于ＬＰＦ的引入，会使获得磁链幅值和相位具
有一定的观测误差。当运行频率等于ＬＰＦ的截止
频率时，磁链观测幅值为实际值的吉左右，相位滞后
√２
实际值｝。如果不进行有效补偿，将导致磁场定向
位置不准确，最终使得矢量控制系统无法实现完全 解耦。
在定子坐标轴系下。转子磁链可以表示为
砂，＝争【¨一尺＾）ｄｔ—ｏ－Ｌ＾】。（１）
式中：砂，、ｕ。和ｉ。分别为转子磁链、定子电压和电流 矢量；尺。、￡。和ｏｒ分别表示定子电阻、定子电感和漏
磁系数，其中盯：垡生吾兰２，Ｌ。和Ｌ，分别表示互 厶ｍ
感和转子电感。 为了克服定子绕组反电动势积分环节存在的直
流偏移和积分饱和问题，通常用低通滤波器（１０ｗ— ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ，ＬＰＦ）来代替积分器转子磁链为
—掣Ｌ一０陶 －饥
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Ｆｉｇ．１
图１ 改进转子磁链观测器框图 Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｒｏｔｏｒ ｆｌｕｘ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ
为了得到准确的磁链信息，需要对低频段ＬＰＦ 产生的观测误差进行补偿，补偿量为
第１３卷第５期 ２００９年９月
电机 与 控制 学报
ＥＬＥＣＴＲＩ Ｃ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ
Ｖ０１．１３ Ｎｏ．５ Ｓｅｐ．２００９
无速度传感器感应电机改进转子磁链观测器
王高林， 陈伟， 杨荣峰， 于泳， 徐殿国
（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）
摘要：针对感应电机无速度传感器磁场定向控制系统，提出一种基于电压模型的改进转子磁链
根据以上分析可以得到有效的截止频率调节方 法。即
以西。）：ｆ七Ｉ西·Ｉ’：：５：：山ｍｉ” （１１）
Ｌ叫ｃｌｎｉｎ’
ｌＯ）ｓ Ｉ、Ｏ．Ｙｓｍｉｎ ｏ
式中：比例因子Ｉ｜｝、临界同步运行频率∞删。和截止频
率下限值∞。。ｉ。可以通过低通滤波器的特性来设计，
并进行离线实验来确定，根据调试效果可以取值
图３无速度传感器感应电机转子磁场定向控制系统
ＷＡＮＧ Ｇａｏ—ｌｉｎ， ＣＨＥＮ Ｗｅｉ， ＹＡＮＧ Ｒｏｎｇ—ｆｅｎｇ， ＹＵ Ｙｏｎｇ，ＸＵ Ｄｉａｎ－ｇｕｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）
本文提出了一种改进的电压模型转子磁链观测 器，根据电机同步转速对低通滤波器的截止频率进行 自动调整，以提高较宽速度范围的转子磁链观测性 能，并采用文献［４］的方案来补偿低通滤波器引起的 幅值和相位观测误差。最后在１ｌｋＷ感应电机无速 度传感器转子磁场定向矢量控制系统进行验证。
１ 改进电压模型转子磁链观测器
声的引入。假设当反电动势信号上叠加了一个很小
的直流信号时，如果没有加入补偿环节，低通滤波器
２赫ｅ郇…（１０） 的输出将会发生偏移，偏移量可以表示为
．Ｌ
１
乒ｍ（刚ｃ
如果截止频率设定太小，则直流偏移量将会较
大，很容易导致补偿环节迅速进入饱和区域，从而降 低了磁链的观测性能。为了能够使磁链观测器具有
较好的直流抑制能力，ＬＰＦ截止频率的值不可以设 定太低，因此在根据运行频率对截止频率进行调节 时需要设定下限值。
后：型。
（９）
∞。
实际应用中，可以通过观测到的磁链位置角进
行微分运算来计算同步旋转频率Ｄ。。
采用式（９）的截止频率调整方式时，低通滤波
器的输出痧。，与实际磁链砂。和反电动势ｅ。的矢量关 系可以用图２来表示。
鹤
弋 以列乜１ 玲弋 名曼：——Ｌ一机Ｌ 旷
矗＝ｏ·２，∞·耐ｎ＝１５０删ｓ，∞ｃｍｉｎ＝３０ ｒａｄ／ｓｏ
ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｐｕｒｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｂａｃｋ ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ，ａｌｌ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｗ—ｐａｓｓ
ｆｉｌｔｅｒ（ＬＰＦ）ｒｏｔｏｒ ｆｌｕｘ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ Ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｒｅｐｌａｃｅ ｔｈｅ ｐｕｒｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
－－ｌ，ｒ
兰掣 砂。（卢）２＝Ｆ 一 Ｄｍ Ｓ
砂。（口）ｌ。
（４）
式中：砂。（刚是将观测到的定子磁链从直角坐标系 变换到极坐标系，对磁链观测幅值进行限幅后，再变 换到两轴静止坐标系后所得到的分量。限幅环节的 工作原理为：当观测到的磁链幅值小于最大限幅值
砂一时，输出为ｌ砂。。Ｉ＝ｌ乒。Ｉ；当观测到的磁链幅值大
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｒｏｔｏｒ ｆｌｕｘ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｏｄｅｌ Ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ
ｆｉｅｌｄ．ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｓ．Ｉｎ ｏｒａｅｒ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ（ＤＣ）ｄｒｉｆｔ ａｎｄ
观测方法。为了有效抑制反电动势积分环节所存在的直流偏移和积分饱和问题，采用一个截止频
率可根据输出频率进行自调整的低通滤波器来代替传统电压模型磁链观测器中的反电动势积分环
节。然而低通滤波器的引入将会产生磁链幅值和相位的观测误差，从而导致在低速运行场合中磁
链观测性能显著下降，为了解决这一问题，设计一个可以补偿磁链观测误差的补偿器。通过１１ｋＷ
３ 实验分析
图３为采用这种改进转子磁链观测器的无速度 传感器感应电动机矢量控制系统框图。观测器所需
的定子电压信号通过ＳＶＰＷＭ产生的控制信号和检
测到的直流母线电压进行重构。为了验证磁链观测
器的性能，转速通过计算同步转速和滑差频率这种
简单的间接估计法来获取，即
西：丛生譬皇学￡型’（１２） 伽＝————。—————‘■———｛————————一．Ｉ ｌＺ）
０引 言
高性能无速度传感器感应电机转子磁场定向矢 量控制系统中，转子磁链信息的准确获取是一个重 要的环节¨２｜。电压模型法是一种较实用的磁链观
测方法，但是电压模型存在定子绕组反电动势积分 环节，易产生直流偏移和积分饱和等问题㈨，已有 许多学者对电压模型磁链观测器的改进方法进行了 研究‘４圳。文献［４］提出了３种改进积分器定子磁 链观测法，获得了较好的磁链观测性能。Ｂｏｓｅ和
收稿日期：２００７—１０—２０ 作者简介：王高林（１９７８一），男。博士，研究方向交流电机控制技术；
陈伟（１９８３一），男，博士研究生，研究方向交流电机控制技术； 杨荣峰（１９７９一）．男，博士，研究方向电力电子与电力传动技术； 于泳（１９７４一），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向电力电子与电力传动技术； 徐殿国（１９６０一），男，博士，教授，博士生导师，研究方向电力电子技术、照明电子技术、电机及控制技术。
万方数据
第５期
无速度传感器感应电机改进转子磁链观测器
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Ｓｈｉｎ等学者提出了用截止频率可调节的低通滤波 器来代替积分器的方法，可以在较宽运行频率范围 解决直流偏移的问题∞－６］。Ｈｏｌｔｚ介绍了一种基于 非线性逆变器模型及定子电阻在线自适应的方法， 可以在低速场合实现磁链的准确观测，但是应用相 对比较复杂¨ｊ。
感应电机无速度传感器矢量控制系统对所提出的改进转子磁链观测器进行了实验验证，结果证明
了算法的有效性。
关键词：感应电机；无速度传感器；矢量控制；转子磁链观测器；电压模型
中图分类号：ＴＭ ３４６．２
文献标志码：Ａ
文章编号：１００７－４４９Ｘ（２００９）０５—０６３８－０５
Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｒｏｔｏｒ ｆｌｕｘ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ ｆｏｒ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ
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Fra Baidu bibliotek
（１３）
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（１４）
图２截止频率可调整低ＬＰＦ磁链观测矢量图 Ｆｉｇ．２ Ｖｅｃｔｏｒ ｄｊａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ＬＰＦ ｗｉｔｈ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｃｕｔｏｆｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
在电流信号处理和采样过程中，信号有时候难
免会存在零漂，并且在实际工作场合中很难避免噪
于最大限幅值砂。；时，输出为Ｉ砂。。ｌ＝砂。，。驴一的值 等于实际磁链幅值，实际应用中可以由磁链的参考
值来代替。
磁链观测器的最终输出由ＬＰＦ的输出砂。（鲫和
补偿器的输出砂。（口）２共同决定，即
砂。（ｐ）＝砂。（卢）ｌ＋砂。（卢）２。
（５）
通过以上分析可以得到，当磁链幅值没超过限
幅值时，转子磁链观测器与积分器等效
ＬＰＦ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ ｍａｙ ｃａｕｓｅ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ，ｐｈａｓｅ ｅｒｒｏｒｓ，ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ａ ｃｏｍｐｅｎｓａ— ｔｏｒ Ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｅｒｒｏｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ＬＰＦ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ．Ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｒｏｔｏｒ ｆｌｕｘ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｆｉｅｌｄ—ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ １ １ ｋＷ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒｓ；ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｏｔｏｒ ｆｌｕｘ ｅｓｔｉｍａｔｏｒ；ｖｏｌｔａｇｅ ｍｏｄｅｌ
砂。㈣＝瓦Ｚｒ（卜郴，¨矿己。ｉ郇）０（６）
当磁链幅值超过限幅值时，转子磁链观测器输 出为
Ｉ念Ｉ
沙。旷列Ｌｒ—１耵刚＋．｛矿．ａ佃）ａｍ－ｔｒＬ，ｉ㈣）。
”Ｔ ”１一
（７） 当反电动势只含有直流分量ｅ６ａ（Ｂ）ｄｅ时，观测器 的最大输出
‰刚。＝乏（亩‰ｄｃ＋‰胁）。（８）
后
万方数据
电机与控制学报
图１为基于电压模型改进转子磁链观测器的原 理框图。ＬＰＦ的截止频率可以根据实际运行频率进 行自动调整，以有效地抑制直流偏移。另外，通过一 个具有限幅环节的补偿器来补偿ＬＰＦ引起的转子 磁链幅值和相位观测误差。
采用基于截止频率可调整的低通滤波器的观测 转子磁链观测器的表达式为
砂唰＝副Ｌｒ—３１＋可Ｔ‰旷ｏ＇Ｌ。ｉ郇））。（３）