无速度传感器感应电机改进转子磁链观测器

式中 :比例因子
k、临界同步运行频率
ω sm
in和截
止频
率下限值
ω cm
in可以通过低通滤波器的特性来设计
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
|ω^s |
ψαr (β) 2
= Lr Lm
s
+
k
|ω^ s
|
ψsα(β)
1。
(4)
k
式中 ψ : sα(β) 1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
( School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
Abstract:An imp roved rotor flux estimator based on voltage model was p roposed for speed sensorless field2oriented vector controlled induction motor drives. In order to elim inate direct current (DC) drift and saturation p roblem s of pure integrator for back electromotive force, an imp roved p rogramm able low2pass filter (LPF) rotor flux estim ator was p roposed to rep lace the pure integrator. However, introduction of the LPF estimator m ay cause m agnitude, phase errors, and decrease in estimation performance. A compensa2 tor was designed to reduce the magnitude and phase error introduced from the LPF estim ator. The validity of the p roposed rotor flux estim ator is verified by speed sensorless field2oriented vector controlled 11kW induction motor drive. Key words: induction motors; speed sensorless; vector control; rotor flux estimator; voltage model
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 11kW 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
在定子坐标轴系下 ,转子磁链可以表示为
∫ ψ r
= Lr Lm
( us - R s is ) d t - σL s is 。
(1)
式中 :ψr、us 和 is 分别为转子磁链 、定子电压和电流
矢量 ; Rs、Ls 和 σ分别表示定子电阻 、定子电感和漏
磁系数 , 其中 σ
=
(LsLr Lm2
Lm2 ) ,
Lm
和
Lr 分别表示互
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 ( low2
pass filter, LPF)来代替积分器转子磁链为
ψ r
= Lr Lm
1 s +ωc es
- σL s is
。
(2)
式中 : es 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
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
ω^
=ψsα
( usβ
-
R s isβ )
ψ2 sα
- ψsβ ( usα +ψ2sβ
-
R s isα ) ,
( 12 )
ω^sl =τLmψisq , r rd
ω^ =ω^s - ω^sl。
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
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
dc
+ψsα(β) max
。
(8)
k
640
电 机 与 控 制 学 报 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
ω c
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
ω c
,
当运行频率较高时适当增大
ω c
,
k
=
|ω^ s ω
|。
(9)
c
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 ω^s。
采用式 ( 9)的截止频率调整方式时 , 低通滤波
第 13卷 第 5期 2009年 9月
电 机 与 控 制 学 报
EL EC TR IC MA CH IN E S AND CON TROL
Vol113 No15
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
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 [ 1 - 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 [ 3 ] ,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 - 8 ] 。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
工作原理为 :当观测到的磁链幅值小于最大限幅值
ψ m
ax时
,
输出为
|ψs1
|
=
|ψ^ s
|;当观测到的磁链幅值大
于最大限幅值
ψ m
ax时
,
输出为
|ψs1
|
=ψm ax 。ψm ax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 ψ 和 sα(β) 1
( 13 ) ( 14 )
图 2 截止频率可调整低 L PF磁链观测矢量图 F ig. 2 Vector d iagram of the L PF w ith 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 声的引入 。假设当反电动势信号上叠加了一个很小
(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
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
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
ψαr (β) 1
= Lr Lm
s
+
1 |ω^ s
|
esα(β)
- σL s isα(β)
k
。 (3)
图 1 改进转子磁链观测器框图 F ig. 1 D iagram of the im proved rotor flux estima tor
中图分类号 : TM 34612
文献标志码 : A
文章编号 : 1007- 449X (2009) 05- 0638- 05
Im proved rotor flux estima tor for sen sorless induction m otor
WAN G Gao2lin, CHEN W ei, YAN G Rong2feng, YU Yong, XU D ian2guo
补偿器的输出 ψsα(β) 2共同决定 ,即
ψ ψ ψ 。 = + αr (β)
αr (β) 1
αr (β) 2
(5)
通过以上分析可以得到 , 当磁链幅值没超过限
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幅值时 ,转子磁链观测器与积分器等效
ψαr (β)
= Lr Lm
∫esα(β) d t - σL s isα(β) 。
(6)
当磁链幅值超过限幅值时 , 转子磁链观测器输
收稿日期 : 2007 - 10 - 20 作者简介 : 王高林 (1978—) ,男 ,博士 ,研究方向交流电机控制技术 ;
陈 伟 (1983—) ,男 ,博士研究生 ,研究方向交流电机控制技术 ; 杨荣峰 (1979—) ,男 ,博士 ,研究方向电力电子与电力传动技术 ; 于 泳 (1974—) ,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—) ,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 。
器的输出
ψ^ s1与实际磁链
ψ s
和反电动势
es 的矢量关
系可以用图 2来表示 。
k = 012,ωsm in = 150 rad / s,ωcm in = 30 rad / s。
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
的直流信号时 ,如果没有加入补偿环节 ,低通滤波器 的输出将会发生偏移 ,偏移量可以表示为
ψ^αr (β) dc
= Lr Lm
f
1 (ω^ s
)
esα(β)
dc 。
( 10)
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
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 1 左右 ,相位滞 2
后实际值
π。如果不进行有效补偿 4
,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 。
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
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 。
根据以上分析可以得到有效的截止频率调节方
法 。即
f (ω^s ) =
k |ω^s | ,
ω cm
in
,
|ω^ s |ω^ s
| |
≥ωsm in , <ωsm in 。
( 11)
出为
ω| ^s |
ψαr (β)
= Lr Lm
1 s + ω| ^s | eαs (β)
+
s
+
k
ω| ^s
ψ| αs (β)max
-σLs iαs (β)
。
k
k
(7) 当反电动势只含有直流分量 esα(β) dc时 , 观测器 的最大输出
ψαr (β) dc
= Lr Lm
1 |ω^ s
|
esα(β)
第 5期
无速度传感器感应电机改进转子磁链观测器
639
Sh in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 [ 5 - 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 [ 8 ] 。