感应电动机的无速度传感器控制研究.

感应电动机的无速度传感器控制研究 3

王家军王建中

杭州电子科技大学

摘要 :基于定子侧静止参考坐标系 , 把感应电动机的模型分为机械部分和电气部分。利用新的状态变量 , 根据系统的稳态方程计算感应电动机的速度 , 实现感应电动机的无速度传感器控制。

制方法相比 , , 通过

性能。最后仿真结果证明了该设计方法的有效性。

关键词 :感应电动机无速度传感器

R of Induction Motor

Wang Jiajun Wang Jianzhong

Abstract :The model of induction motor was separated into mechanical and electrical parts based on static reference coordinate of stator. According to steady equation , the speed of induction motor was computed with new states. Then sensorless control of induction motor can be realized. Compared with traditional sensorless control method , the scheme avoids computation of rotor slip or rotor flux linkage angle. G ood steady and dy 2 namic performance can be achieved by regulating PI controller. At last simulation results prove the efficiency of the scheme.

K eyw ords :induction motor sensorless PI controller

1引言

感应电动机以其坚固、可靠、廉价、高效等优点 , 在工业驱动控制中获得了大量的应用。感应电动机结构简单 , 但其弱点是数学模型复杂 , 状态变量之间的

耦合严重 , 导致高性能的控制困难 [1~3]。感应电动机的矢量控制是通过转子磁场定向来实现转矩和磁链的解耦控制 [4,5], 而直接转矩控制摒弃了解耦的思想 , 取消了旋转坐标的变换 , 实现磁链和转矩的直接控制 [6]。矢量控制的坐标变换需要计算转子的转差或转子磁链角 , 感应电动机按照直流电动机的模式进行解耦控制。

感应电动机的速度通常是由光电编码器提供 , 然而编码器的存在增加了系统接线 , 降低了系统的可靠性 , 特别在一些无法安装编码器的场合限制了电动机应用。因此开发感应电动机的无速度传感器控制具有重要的应用价值。本文基于定子侧的静止坐标 , 先通过一定的坐标变换 , 把感应电动机分为机械部分和电气部分。利用新的状态变量 , 根据系统的稳态方程计算感应电动机的速度 , 实现感应电动机的无速度传感器控制。与一般感应电动机无速度传感器控制方法相比 , 该方法避免了转子转差或转子磁链角位置的计算 , 通过 PI 控制器的调节可以实现良好的动静态性能。最后通过仿真验证了系统设计的有效性。

2感应电动机模型

感应电动机的 5阶动态模型为 [7,8]

d t

=k (Ψr αi s β-Ψr βi s α -

J

(1 d t

=a Ψr α+b ωΨr β-ci s α+d u s α(2 d t

=a Ψr β-b ωΨr α-ci s β+d u s β(3 d t

=-e Ψr α-n p ωΨr β+f i s α(4 91

感应电动机的无速度传感器控制研究电气传动 2007年第 37卷第3期 3中国博士后基金项目 (2005037258 , 浙江省博士后择优基金项目 (2004-bsh -024

d t

=-e Ψr β+n p ωΨr α+f i s β(5

其中 k = 2J L r a =

σL s L 2

r

b =σL s L r

c = 22

σL s L 2

r

d =

σL s

e =

L r

f = L r M

式中:ω为转子角速度; Ψr α, Ψr β为转子α, β轴磁链; i s α, i s β为定子α, β轴电流; u s α, u s β为定子α, β轴电压 ; M 为互感 ; n p 为极对数 ; J 为电机的转动惯量 ; R r 为转子电阻 ; R s 为定子电阻 ; L r 为转子电

感 ; L s 为定子电感; σ为漏感系数, σ=1-

2 L r L s ;

T L 为负载转矩。

由式 (1 ~式 (5 可以看出 ,

3

为了实现感应电动机机械部分和电气部分的分离 , 给出如下新的状态变量 [9]

T =Ψr αi s β-Ψr βi s α(6 Ψ=

2

(Ψ2r α+Ψ2r β (7 X =Ψr αi s α+Ψr βi s β(8 其中 , T 为虚拟转矩。 T 和实际转矩的关系为T e =kJ T (9 Ψ为虚拟磁链, Ψ和实际转子磁链的关系为

Ψ= 2 Ψ2

r

(10

实际运行过程中 , 可以根据需要利用感应电动机的电流模型或电压模型获得Ψr α, Ψr β[10]。利用新的状态变量 , 则感应电动机的模型可以分解为如下两个部分。

机械部分

d t =k T -

J

(11

d t

=-2b ωΨ-(e +c T -n p ωX +d u T (12 其中u T =Ψr αu s β-Ψr βu s α

电气部分

d t

=-2e Ψ+f X (13 d t

=2a Ψ-(e +c X +n p ωT +

f (i 2s α+i 2s β +d u Ψ(14 其中u Ψ=Ψr αu s α+Ψr βu s β 对于机械部

分 , T 为虚拟转矩 , u T 假定为虚拟转矩电压 ; 对于电气部分 , X 为虚拟磁链控制量 , u Ψ假定为虚拟磁链电压。

对于机械部分和电气部分 , 一般情况下 , 磁链的建立时间要大大快于速度的变化时间 , 因此可以利用式 (12 的稳态方程求取电动机的转速为

=

2b Ψ+n p X

(15 , 并经过 PI

,