异步电机 无速度传感 矢量控制

异步电动机无速度传感器的矢量控制研究

XXX

（江南大学物联网工程学院 无锡·中国 214122）

摘要：无速度传感器的矢量控制重点是磁链的观测和转速的估计。由于电机在

运行过程中的参数会发生变化，必须保证磁链和转速估计的准确性，使系统具有良好的动态性能。本文应用基于超稳定性理论的模型参考自适应系统，对无速度传感器的矢量控制进行转速估计和磁链观测。对系统的仿真结果表明，基于模型参考自适应的矢量控制系统具有良好的静态和动态性能。

关键词：异步电机；无速度传感器的矢量控制；模型参考自适应；转速估计；

磁链观测

中图分类号：TM30 文献标识码：A

ABSTRACT：The key of speed sensorless vector control is flux and speed

estimation . Because the varies of parameter when the motor running, must ensure that flux and speed estimation accuracy, make the system has good dynamic performance.the speed estimation and rotor flux observation methods are studied using the theory of Model Reference Adaptive System for the speed sensorless vector control system in the article.the simulation results show the MRAS-based field oriented control system has good static and dynamic performance.

Keywords: Asynchronous motor；Sensorless vector control；MRAS；Speed

estimation；Flux observer

1 引 言

转子磁场定向控制方案具有较高的性能和实用价值，使交流调速系统的性能产生了质的飞跃。无速度传感器矢量控制更是增加了系统的简易性和鲁棒性。本文从矢量控制出发，结合电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术，建立了基于自适应状态观测器的无速度传感器矢量控制系统仿真模型，并用Matlab/simulink仿真软件对系统进行了仿真分析。

2基于电流模型的方法

在低速区域，采用速度和电流信号能更容易地估计转子磁链分量。电机 -

等效电路的转子电路方程式为

异步电机 无速度传感 矢量控制

d

r

dt

d r dt

Rri rr

r

0 (2-1)

Rrir r r 0 (2-2)

在上面方程式的两边分别加入 (LmRr/Lr)is 和 (LmRr/Lr)is ，可得到

d r dt

RrLr

(Lmis Lrir ) r r

LmRrLr

is (2-3)

d r dt

RrLr

(Lmis Lrir ) r r

LmRrLr

is （2-4）

分别将 r 和 r 的公式代入上面两式，简化后可得到

d r dt

LmTr

is r r

r （2-5）

Tr

1

1

d

r

dt

LmTr

is r

r

r （2-6）

Tr

式中，Tr Lr/Rr为转子回路的时间常数。式（2-5）和式（2-6）表明转子磁链是定子电流和速度的函数。因此，若已知这些信号，则磁链和相应的单位矢量信号就可以被估算。这些方程式被定义为用于磁链估算的电流模型，它们最初是由Blaschke提出的。Te、is 、is ，以及定子和气隙磁链，它们都可以从电流模型中估算出来。该模型的磁链估计需要一个速度编码器，但这种方法的优点是系统能零速度运行。然而，这种方法的估算精度仍受电机参数变化的影响，尤其是转子电阻受温度和集肤效应的影响存在非常大的变化并且参数的补偿也非常困难。

由于较高速度基于电压模型的磁链估计效果更好，而基于电流模型的估计可在任何速度范围内使用，因此可以建立一个混合模型用于估计，即在高速阶段采用电压模型，在低速阶段让其平稳地切换至电流模型。

3基于电流模型磁链估计的控制系统仿真

根据前面研究的磁链估计方法和模型参考自适应的转速估计方法，利用MATLAB/Simulink环境建立了基于电流模型磁链估计的无速度传感器矢量控制

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系统。

3.1.1 基于电流模型的无速度传感器矢量控制系统仿真电路图

图3.1 基于电流模型磁链估计无速度传感器矢量控制系统

图3.1所示的系统框图中主要包含有电压磁链估计子系统、电流磁链估计

子系统、转速估计子系统以及电流滞环控制子系统等，现在分别对其进行以下具体介绍。

3.1.2 仿真模型子系统说明 （1） 电流模型

图3.2 磁链电流模型

图3.2所示电流模型利用3s/2r变换将三相定子电流转化为两相同步旋转坐标系下的电流ism和ist，然后通过公式 r Lmism/(TrP 1)得到转子磁链。

（2） 电压模型

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Gain3

图3.3 磁链电压模型

图3.3通过3s/2s变换求出定子电压和电流分别在两相静止坐标系下的值，再

通过基于电压模型的磁链估计公式（3-3）和（3-4）求出转子磁链，图中还通过电流ist和估计转速 r计算出单位矢量 。

（3） 基于MARS的转速推算模块

图3.4的转速估计子系统分别利用基于电流模型估计的磁链和基于电压模型估计的磁链求出偏差 ，再利用PI积分估计出转子速度 r。这里所得的 r通过反馈到电压模型和电流模型用于计算单位矢量 ，从而形成一个完整的回路。

图3.4 转速估计子系统

（4） 电流滞环控制模块

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图3.5 滞环比较器

如图3.5所示，将给定电流i*与电机定子电流i进行比较，将得到的偏差 i作为滞环比较器的输入，通过其输出来控制功率器件的通断。使得反馈电流呈锯齿状地跟踪给定电流i*。滞环控制具有硬件电路简单，电流响应快，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量等优点。但输出电流中含有较多的高次谐波。

3.2 仿真结果分析

建立了上述的仿真系统电路结构后，接下来就该选取适当的电机参数和调节器参数等系统仿真参数，并对仿真结果进行分析，以确定该控制系统的性能。

最后我们选取一台小功率异步电动机进行仿真研究，电机的电气参数如下:电机 u=380V , f=50Hz ，pn= 2..238kw，Rs= 0.435 ，Rr= 0.816 ，Lls

H

=0.002 ,Llr=0.002H,Lm= 0.069H , J = 0.18kg m2， np = 2，逆变器的直流电压为u=520V。定子绕组自感为Ls Lm Lls= 0.071H；转子绕组自感为Lr=Lm

/LsLr = 0.0555；+Llr=0.071H；漏磁系数为 1 L2转子时间常数为Tr Lr/Rrm

=0.087；转速、转矩和磁链调节采用PI调节器，做如下仿真试验:

实验：基于电流模型磁链估计的仿真 初始给定转速为600r/min，负载为0；0.3秒时给定转速突加到1200r/min,0.6秒时突加50Nm的负载。为了验证电流模型在电机参数变化时的性能，还将电机的转子电阻值改为1.206 时进行了仿真。仿真结果如下：

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1400

1200

1000

800n(r/min)

600

400

200

600

400n(r/min)

t(s)

图3.6 定参数时实际转速和估计转速

1400

1200

1000

800

200

t(s)

图3.7 变参数时实际转速和估计转速

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Te(Nm

)

00.10.20.30.4

0.5t(s)

0.60.70.80.91

图3.8 定参数时实际转矩和估计转矩

Te(Nm)

00.10.20.30.4

图3.9 变参数时实际转矩和估计转矩

0.5t(s)

0.60.70.80.91

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80

60

40

20

iabc(A)

-20

-40

-60

-80

00.10.20.30.4

0.5t(s)

0.60.70.80.91

图3.10 定参数时的三相定子电流

phiq

-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

0phid

0.20.40.60.81

图3.11 定参数时定子磁链

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从以上仿真结果可知，在定参数时基于电流模型磁链估计的无速度传感器矢量控制系统能很好的完成加载、变速等基本控制功能。启动阶段有较大的定子电流，由此产生较大的启动转矩，使电机加速启动。在0.2秒时转速达到稳定值600r/min,在0.3秒时给定转速突加到1200r/min,在0.3-0.5秒期间是转速加速阶段，这时定子电流增大，产生一定的加速负载，在0.5秒时转速达到稳定值1200r/min。在0.6秒时突加负载到50Nm,这时电机转矩也突加到50Nm,并在50Nm附近有一定波动。转速有轻微的波动后又稳定下来。从仿真结果可以看出，转速和转矩的估计值都能较好地跟踪给定值。和矢量控制理论相一致，验证了改控制系统理论的正确性。

由于电机在运行时，参数会发生改变。从上面改变转子电阻时的仿真结果可以看出，当电机参数发生变化时，基于电流模型磁链估计的矢量控制系统性能下降。转速和转矩的估计值不能很好的跟踪实际值，估计误差增大。当电机突加负载时，由于转速估计的不准确，电机的实际转速下降时，估计转速没能很好的跟随，使得电机转速无法调整到给定值，造成系统的带载性能下降。

4 小结

通过对无速度传感器矢量控制的研究，最终选定了基于电流模型的模型参考自适应的转速估计方法。采用按转子磁链定向的矢量控制理论，模型参考自适应的转速估计方法，基于电流模型的磁链估计方法建立了系统的仿真模型，仿真结果表明这种方法在一定的条件下有较好的性能，特别是低速性能下更好一些。

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