无速度传感器的矢量控制系统仿真

无速度传感器的矢量控制系统仿真

带转矩内环的转速，磁链闭环矢量控制系统的电气原理图如图1所示。在图中，主电路采用了电流滞环控制型逆变器。在控制电路中，在转速环后增加了转矩控制内环，转速调节器ASR

的输出是转矩调节ATR 的给Te *

,而转矩的反馈

信号T

e ,则通过矢量控制方程 （1） 计算得到。电路中

的磁 链调节器ApsiR 用于对电动机定子磁链的控制，并设置了电流变换和磁链观测环节。ATR 和ApsiR 的输出分别是定子电流的转矩分量i st *

和励磁分量i sm *

。

i st *

和i sm *

经过2r/3s 变换后得到三相定子电流的给定值 并通过电流滞

环控制PWM 逆变器控制电动机定子的三相电流。

图1 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统原理图

ψr st r m p e i n L L T =i s *

C i s *B i s *A

带磁链和转矩闭环的矢量控制系统仿真如图2所示。其中直流电源DC，逆变器inverter,电动机motor和电动机测量模块组成了模型的主电路，逆变器的驱动信号由滞环脉冲发生器模块产生。三个调节器ASR,ATR和AspiR均是带输出限幅的PI调剂器。转子磁链观测使用二相同步旋转坐标系上的磁链模型(图3)，函数模块Fcn用于计算转矩，dq0-to-abc模块用于2r/3s的坐标变换。

图2 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型

图3 三相电压的变换模型

仿真图带转矩内环的转速，磁链闭环矢量控制系统，调节器参数见表1.模型的仿真算法为ode23tb 。

在矢量控制系统中，为了实现转速的闭环控制和磁场定向，电动机的转速检测是必不可少的，并且转速检测的精度直接影响磁场定向的准确性。从电动机数学模型可以看出，电动机转速实际上也可以通过推算得到，因此无速度传感器的矢量控制系统成为了交流调速的重要研究内容。无速度传感器的交流调速一方面减少了设备，另一方面也避免了速度传感器检测本身可能带来的误差。无速度传感器的速度推算基本上都是在检测电动机电压，电流的基础上，通过电动机数学模型的矢量控制方程来推算电动机转速，并通过仿真观察速度推算的效果。

采用模型参考自适应的速度推算（MRAS ）是利用转子磁链的电压方程和电流方程分别计算转子磁链，由于电压模型不含角速度ω项，而电流模型包含ω项。故用于电压模型的输出作为转子磁链的期望值，电流模型的输出作为转子磁链的推算值，计算电动机转速w r ，其关系为

（2）

式中， 为按电压方程计算的转子磁链； 为按电流方程

计算的转子磁链。

在带环矩内环的转速，磁链闭环矢量控制系统仿真模型中，以推算转速w r

代替电动机测量模块的转速值，观察无速度传感器的矢量控制系统的控制效果，仿真的模型如图 3所示。

()()

ψ

ψ

ψψω**-+=AR

BR

BR

AR

I

P

S

K K r

ψ*

AR ψ

*

BR ψAR ψBR

图3 无速度传感器的矢量控制系统仿真模型

图4 转速推算模块的组成

模型中，转矩推算模块的组成如图4所示。推算模块的1~4输入端，分别接入电动机定子三相电压和电流，经过3s/2s 坐标变换,再由磁链电压模型计算得到 ；推算模块利用了矢量控制模型中转子磁链电流模型输出的磁链

信号psir 和sincos,经直角坐标变换得到转子磁链α、β轴上的分量 ， , 然后按式（2）计算得到电动机转速。转速推算模块中PI 调节器的参数取G7=4500(G1),G8=1.98(G2). 模型参数如表1。

图3的仿真结果如下所示:

ψ

*

AR

ψ

*

BR

ψAR ψ

BR

(a) Te的仿真结果图

(b) n的仿真结果图

(c) n1的仿真结果图

(d

(d) 定子磁链轨迹仿真结果

图5 无速度传感器的矢量控制系统仿真结果图

图5中推算得到的转速与电动机测量模块输出的转速的比较，图中带有小幅波动的是推算转速，较平滑的是测量模块输出的转速，两者差异较小。图 5 是以推算得到的转速作为转速反馈和以电动机测量模块输出的转速作为转速反馈信号时控制效果的比较，推算速度矢量控制可以取得几乎相同的控制效果，只是电动机加载后的回复时间较长，这与K I的取值有关，较大的K I恢复时间较短，但是推算转速的波动加大，PI调节器的K P和K I两个参数选择是很有关键的，需要多次试凑修正，而使用仿真是较方便的。