交流感应电动机无速度传感器的高动态性能控制方法综述

交流感应电动机无速度传感器的

高动态性能控制方法综述

清华大学　杨耕

上海大学　陈伯时

摘要:文章分析了交流感应电机无速度传感器的高动态性能控制方案的控制要点。在介绍国内外产业界已实用化的、以及正在研发中的几种代表性的控制策略的同时,讨论了各种方法理论要点和实际应用中的特点。最后,介绍了当前的几个研究热点问题并就发展方向提出了一点设想。

关键词:异步电动机控制　无速度传感器　转矩控制　磁链观测　速度辨识

Rev iew the M ethods for the Speed Sen sor-less Con trol of I nduction M otor

Yang Geng　Chen Bo sh i

Abstract:T h is paper analyzes theo retical po ints of the i m p lem entati on fo r h igh perfo r m ance contro l of in2 ducti on mo to r w ithout speed senso r.A fter that,typ ical app roaches of the contro l strategy,w h ich are used in p ractical p roducts o r are being developed recently,are p resented and the characteristic of each app roach is dis2 cussed.F inally,som e unso lved p roblem s being researched as w ell as the develop ing po tentials are introduced.

Keywords:contro l of inducti on mo to r　speed senso r2less　to rque contro l　flux observer　speed identifica2 ti on

1　前言

交流感应电机的无速度传感器高动态性能控制,是为了实现与有速度传感器的矢量控制(或直接转矩控制)相当的转矩和速度性能的方案,被用于无法设置速度传感器的设备或新一代高性能通用变频器之中[1,2]。相关的理论与技术也成为近10年来交流传动领域的热门研发内容之一。

本文主要综述在无速度传感器的前提下,具有速度反馈控制环的矢量控制方案(V C)和直接转矩控制方案(D TC),而不讨论诸如“V F控制+为补偿负载变动的滑差补偿”等只考虑静态的方法。本文在介绍各种方法的同时,综述其理论要点和实际应用中的特点、介绍所应用的厂家,从中总结出实现高动态性能控制的要点及主要成果。最后,介绍当前几个研究热点问题。

2　控制方法

211　方法分类的出发点

一般地,由转矩控制环及速度控制环构成的无速度传感器矢量控制(或直接转矩控制)系统由图1所示的3个环节构成。即:①速度调节器;②磁链和转矩控制器;③速度推算或辨识器(含磁链计算或观测)

。

图1　无速度传感器控制系统构成

对于环节②,需要控制转矩和磁链。由此可以分为:a以转子磁链定向控制为基础的矢量控制策略。目前常用的有计算滑差频率的被称为间接法(I V C)和把状态观测器观测到的转子磁链进行反馈控制的直接法(DV C)。b以控制定子磁链为特点的,被称之为直接转矩控制策略(D TC)。

环节③的结构依存于环节②的结构。实际上在计算或推定速度值时,常常也要获得(计算或观测)磁链(转子的或是定子的)值。因此,按其理论上的特点,可以把获得转速和磁链的方法大致分

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电气传动　2001年　第3期　

为两大类。一是利用电机的状态方程进行计算的方法,叙述于212。二是利用自适应状态观测器观测磁链并辨识转速的方法(214)。还有一些方法是这两类方法的变型,叙述于213。

作为本文分析的基础,列出在两相静止坐标轴Α,Β上的方程式如下[3]

定子方程　v M s =R s i M s +p 7M

s

(1)转子方程　0=R r i M r +(p +J ΞM r )7M

r (2)定子磁链　7M s =L s i M s +M i M r (3)转子磁链　7M r =M i M s +L r i M r

(4)

式中　v M s ——定子电压,v M s =[v M s Α,v M s Β]T

i M s ——定子电流,i M s =[i M s Α,i M s Β]T 7M s ——定子磁链,7M s =[7M s Α,7M s Β]T 7M r ——转子磁链,7M r =[7M r Α,7M r Β]

T ΞM r ——转子频率 p =d d t J =

0-

1

1

　0

也可以改写为电压和电流模型方程[4]

p 7M r =(L r M )[v M s -(R s +ΡL s p )i M s ]

(5)p 7

M

r

=(-1 Σr +J ΞM

r

)7M r

+(M Σr )i

M s

(6)

在本文中,上角字母M 为电机参数或变量,3为指令或设定,^为推算值,T 为矢量或矩阵的转置。

212　基于电机状态方程的计算21211　利用反电势计算转速[4～7]

在转子磁链定向的旋转坐标{d ,q }上(d ,q 分别为同步旋转坐标系上的励磁轴和转矩轴),由式(5)电压模型可得

E M r =(M L r )(p +J Ξ1)7M r

=v M s -[R s +ΡL s (p +J Ξ1)]i M

s

(7)

式中　Ρ=1-M 2

(L s L r ) Ξ1——同步(定子)频率

E M r ——反电势,E M r =[E M rd ,E M rq ]

T

7M r ——转子磁链,7M r =[7M rd ,7M rq ]

T 在估算Ξ

δr ,Ξδ1时,为了简化算式,假定矢量控制已被实现,则由于转子磁链的反馈控制在稳态时有

7M rq =0,7M rd =con st =73

rd 。于是

Ξδ1=(L r M )E M rq 73rd

Ξδr =Ξδ1-Ξ3

sl p

(8)

上式的E M rq 由式(7)可得,而转子的转差频率Ξ3

sl p 和

磁链73rd 由矢量控制器中给出。计算时所用的参数为R s ,R r ,L s ,L r ,M 。

在这一类的实现中,矢量控制部分由于采用

I V C ,需要进行电流反馈和7M

rd =con st 的控制。

该方法计算量较小,易于实现。系统结构如图2。为东芝[5]、日立[6]、富士[7]的早期产品所用。存在的问题有:①由于不能保证在动态过程中矢量控制是否能正确实现,所以不能保证动态特性;②低速时,由于E M r 的值很小,难以按式(7)准确算出

,所以低速特性不好。

图2　基于反电势计算的转速

21212　在D TC 中使用的速度估算法[8～12]

由D epenb rock 所倡导的从控制定子磁链出发的方法,由于在结构上有明显的转矩环而被称之为直接转矩控制(D TC )。另外,由于控制的是定子磁链恒定,因此转矩和磁链闭环为非线性控制环,一般地闭环为“砰2砰”控制。

参考文献[8]通过计算和控制电机的定子侧

磁链7δs ,再用计算出的定子磁链的频率Ξ

δ1来得到Ξ

δr 。7δs =∫

(v M s -R s i M

s )d t

(9)7δr =(L r M )(7δs -ΡL s i M s )

(10)Ηδr =tan -1(7δr Β 7δr Α)

Ξδ1=d Ηδr d t

(11)T M =n p (7δs Αi M s Β-7δs Βi M s Α)

(12)Ξδr =n p (Ξδ1-R 3

r T M 72r )

(13)

式中,n p 为极对数。算式所用到的参数为R s ,R r ,

L s ,L r ,M 。

系统结构如图3。由于转矩的控制由“砰2砰”控制得到。该方法可得到较好的转矩响应。此外,定子磁链、转矩和滑差频率的计算量不太大。这种

方法被东洋电机[11]、ABB [12]

用于产品。但由积分器引起的零漂对系统的低速特性影响大。此外,虽然D TC 方法可实现转矩无差,但若作转速反馈闭环需用到式(13)中的转子电阻,则控制精度也受转子电阻变化的影响。

21213　计算磁链时的混和算法[9,11,13]

基于式(5)电压模型计算磁链定向需进行积

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