鄧先明， 陳 劍, 方榮惠， 于子捷

(中國礦業(yè)大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221116)

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基于高頻信號注入雙饋電機無傳感器控制技術(shù)

鄧先明， 陳 劍, 方榮惠， 于子捷

(中國礦業(yè)大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221116)

針對控制系統(tǒng)中機械傳感器存在的安裝困難、易發(fā)生故障等一系列的問題，提出基于高頻信號注入的無傳感器檢測法。分析了雙饋電機使用高頻注入法檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及位置的原理，即通過在雙饋電機的轉(zhuǎn)子側(cè)注入高頻信號，并提取在定子側(cè)感應(yīng)出的高頻信號，經(jīng)過鎖相環(huán)檢測算法，計算得出轉(zhuǎn)子的位置及轉(zhuǎn)速信號。建立了基于高頻注入的雙饋電機矢量控制模型，通過仿真和樣機實驗驗證了雙饋電機高頻信號注入無傳感器控制技術(shù)的可行性，為雙饋電機的無傳感器控制技術(shù)的實際應(yīng)用奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

雙饋電機； 矢量控制； 無傳感器控制； 高頻信號注入； 鎖相環(huán)檢測算法

0 引 言

世界能源危機的背景下，由于雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)具有可變速恒頻運行、有功無功率可獨立調(diào)節(jié)以及所需變頻器容量小等優(yōu)點[1]，在各個領(lǐng)域得到大力發(fā)展，尤其是在風能發(fā)電領(lǐng)域。目前，在雙饋電機的控制過程中，都是使用機械傳感器去檢測轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，由于機械傳感器存在電纜連接困難、安裝復(fù)雜、易發(fā)生故障等缺點[2]，導(dǎo)致檢測系統(tǒng)檢測出的位置和轉(zhuǎn)速的可靠性不高。因此，不少學者提出使用無傳感控制技術(shù)去取代機械傳感器，國內(nèi)外都對此進行了研究，并取得了一定的成果。但目前絕大部分研究都是針對同步電機的[3-5]，針對雙饋電機的卻很少。將無傳感器技術(shù)用于雙饋電機將簡化控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的控制精度和可靠性，具有很好的研究價值。本文將重點研究基于高頻信號注入法的雙饋電機無傳感器控制。

1 雙饋電機的矢量控制技術(shù)

1.1 雙饋電機矢量控制分析

異步電動機構(gòu)成雙饋電動機，因此可按照分析異步電動機的方式分析雙饋電機。雙饋電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。本文采用定子磁鏈定向的矢量控制[6]方式，對雙饋電機進行控制。

圖1是雙饋電機定子磁鏈定向的空間向量圖，將定子磁鏈ψs定向于dq坐標系的d軸上，則有ψqs=0,ψds=ψs。設(shè)ω1為同步角速度，ωr為轉(zhuǎn)子角速度，轉(zhuǎn)差角速度ωs=ω1-ωr，結(jié)合dq同步坐標系下雙饋電機數(shù)學模型[7]，可以得到雙饋電機基于定子磁鏈定向的矢量控制方程如下。

(1) 電壓方程。

(1)

式中：Ls為定子自感;uds、uqs為定子dq軸電壓;rs為定子電阻;Lm為互感;idr、iqr為轉(zhuǎn)子dq軸電流。

(2)

式中：Lr為轉(zhuǎn)子自感;udr、uqr為轉(zhuǎn)子dq軸電壓;rr為轉(zhuǎn)子電阻;p為微分算子。

(2) 轉(zhuǎn)矩方程。

(3)

式中:np為極對數(shù);Tem為電磁轉(zhuǎn)矩。

圖1 定子磁鏈定向空間向量圖

(4)

其中：

圖2 雙饋電機控制原理圖

1.2 仿真分析

1.2.1 仿真模型

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，如圖3所示。雙饋電機參數(shù)如下：額定功率為30 kW；定子額定電壓380 V；極對數(shù)為2；定子繞組電阻為3.2 Ω；轉(zhuǎn)子等效電阻2.9 Ω；定子漏感14.3 mH；轉(zhuǎn)子漏感14.3 mH；互感265.4 mH。

圖3 雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)仿真模塊

1.2.2 仿真結(jié)果

(1) 轉(zhuǎn)速改變仿真分析。轉(zhuǎn)矩保持80 N·m，轉(zhuǎn)速初始值為1 200 r/min，在1 s的時候變?yōu)? 400 r/min。仿真波形見圖4。由圖4(a)可見，當轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時系統(tǒng)能夠快速的跟隨。

由圖4(b)可見，在速度突變過程中，電磁轉(zhuǎn)矩有變化，但又能迅速回到給定的負載轉(zhuǎn)矩。

(a) 轉(zhuǎn)速

(b) 轉(zhuǎn)矩

圖4 轉(zhuǎn)速改變時仿真波形

(2) 轉(zhuǎn)矩改變仿真分析。轉(zhuǎn)速為1 200 r/min保持不變，給定轉(zhuǎn)矩初始值為60 N·m，在1 s的時候突變?yōu)?00 N·m。仿真結(jié)果如圖5所示。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 轉(zhuǎn)速

圖5 轉(zhuǎn)矩改變時仿真波形

由圖5(a)可以看出，在負載轉(zhuǎn)矩突變過程中，電磁轉(zhuǎn)矩能夠很快跟隨給定。圖5(b)表明，轉(zhuǎn)矩的變化對電機速度影響不大，轉(zhuǎn)速基本上沒有發(fā)生變化，說明系統(tǒng)的抗干擾性很強。

綜上所述，雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)具有很好的動態(tài)和靜態(tài)性能。

2 雙饋電機的無傳感器檢測技術(shù)

2.1 檢測原理分析

用高頻信號注入法檢測位置是根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器的原理[8-9]提出的，就是通過在轉(zhuǎn)子側(cè)注入高頻信號再在另一側(cè)檢測出高頻信號所感應(yīng)出的電動勢或電流，通過一定的算法[10-11]就可以提取出感應(yīng)電壓或電流中所包含的位置角及轉(zhuǎn)速信息。具體原理如圖6所示。

圖6 雙饋電機轉(zhuǎn)子位置測量原理圖

在轉(zhuǎn)子Ur相繞組中注入頻率為ωH、有效值UrH的高頻勵磁信號，在Ur軸方向產(chǎn)生高頻脈振磁場φrH=φmsinωHt，隨著轉(zhuǎn)子角度θ的變化，在定轉(zhuǎn)子的繞組感應(yīng)電勢分別為[12]：

(5)

式中:Nr是轉(zhuǎn)子繞組的等效匝數(shù);Ns是定子相繞組等效匝數(shù)，兩者之比匝比k=Ns/Nr。忽略繞組漏阻抗，可得定轉(zhuǎn)子繞組的高頻感應(yīng)電壓有效值為：

(6)

由式(6)可得出定子U相高頻電壓和VW高頻線電壓分別為：

(7)

因此可以得到轉(zhuǎn)子的角度估計值：

(8)

對轉(zhuǎn)子的角度θ求導(dǎo)可得轉(zhuǎn)子的機械速度nr，np為極對數(shù)：

(9)

本文采用基于鎖相環(huán)[13-14]的無傳感器的位置及轉(zhuǎn)速檢測如圖7所示。轉(zhuǎn)子側(cè)注入高頻電壓信號Vsinωt，感應(yīng)的電勢經(jīng)坐標變化和解調(diào)后，得到Vs,Vc，經(jīng)過做差比較，得到(sinθcosφ-cosθsinφ)即sin(θ-φ)，當sin(θ-φ)趨于零時，φ=θ，也就實現(xiàn)了位置角的鎖相。

圖7 基于鎖相環(huán)的轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速觀測

2.2 仿真分析

2.2.1 仿真模型

鎖相環(huán)算法的位置及轉(zhuǎn)速檢測如圖8所示。

2.2.2 仿真結(jié)果

仿真過程中，選用的高頻電壓信號幅值為10 V，頻率為1.0 kHz。給定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min,負載轉(zhuǎn)矩為50 N·m。

由圖9的仿真結(jié)果可知，通過將高頻信號注入檢測的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速與傳感器檢測的位置和轉(zhuǎn)速信息進行比較，高頻信號注入法檢測的位置和轉(zhuǎn)速可以很好的跟蹤實際位置和轉(zhuǎn)速。因此，可將高頻注入法檢測的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速反饋回矢量控制系統(tǒng)。仿真如下：

(1) 轉(zhuǎn)速改變轉(zhuǎn)矩不變仿真分析。仿真步驟為，電機在有傳感器的狀況下運行1 s，1 s后用高頻注入估算的位置和轉(zhuǎn)速替換實際位置和轉(zhuǎn)速，1.1 s時將給定轉(zhuǎn)速由1 200 r/min變?yōu)?00 r/min，轉(zhuǎn)矩50 N·m保持不變，仿真結(jié)果見圖10。

圖8 基于鎖相環(huán)算法的位置與轉(zhuǎn)速檢測

由圖10仿真結(jié)果可知，無傳感器控制過程中，給定轉(zhuǎn)速變化時，實際轉(zhuǎn)速能很好地跟蹤給定的變化，轉(zhuǎn)矩也能很快恢復(fù)穩(wěn)定。

(2) 轉(zhuǎn)矩變化轉(zhuǎn)速不變仿真分析。電機在實際位置下運行1 s，1 s后用估計位置及轉(zhuǎn)速代替實際位置和轉(zhuǎn)速，1.1 s時轉(zhuǎn)矩由50 N·m變?yōu)?0 N·m直到最后。仿真結(jié)果見圖11。

由圖11的仿真結(jié)果可知，無傳感器控制過程中，給定轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)矩能很好地跟隨，對轉(zhuǎn)速的影響很小。

因此，基于高頻注入的無傳感器位置及轉(zhuǎn)速檢測完全可替換傳感器檢測的位置和轉(zhuǎn)速，并反饋回矢量控制系統(tǒng)，雙饋調(diào)速系統(tǒng)依然有很好的動靜態(tài)性能。

(a) 鎖相環(huán)估計位置與實際位置

(b) 鎖相環(huán)估計轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速

(c) 解調(diào)后的包絡(luò)線

圖9 基于高頻注入的位置及轉(zhuǎn)速檢測

(a) 實際轉(zhuǎn)速

(b) 估計轉(zhuǎn)速

(c) 轉(zhuǎn)矩

圖10 無傳感器情況下轉(zhuǎn)速變化時仿真波形

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 實際轉(zhuǎn)速

(c) 估計轉(zhuǎn)速

圖11 無傳感器情況下轉(zhuǎn)速變化時仿真波形

3 基于高頻注入無傳感器檢測方法的實驗分析

3.1 實驗方案設(shè)計

為了驗證雙饋電機轉(zhuǎn)子加高頻信號測量轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的部分原理，在實驗室搭建了實驗平臺[15]。

(1) 實驗設(shè)備。繞線異步電機、他勵直流電動機、中頻電源、示波器、高精度電流電壓表、轉(zhuǎn)速表、刻度盤等。

(2) 實驗線路。轉(zhuǎn)子U相加中頻勵磁，實驗中將轉(zhuǎn)子繞組U相尾端和定子繞組的尾端連接，實驗過程線路如圖12所示。

(3) 實驗步驟。轉(zhuǎn)子中所加中頻勵磁電壓為50 V，首先手轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，測量轉(zhuǎn)子U相首端與定子U相首端的電壓，觀察電壓變化，調(diào)到其輸出為最小的位置，由差極性原理[16]，設(shè)該位置為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ為零的位置(即N極(d軸)與U相軸線對齊)，在轉(zhuǎn)子上標記該位置。記錄UVW三相輸出電壓和轉(zhuǎn)角。從θ=0開始，改變轉(zhuǎn)角大小，記錄如下數(shù)據(jù)：① 用電壓表記錄UVW三相相電壓、三相間線電壓和轉(zhuǎn)角關(guān)系；② 用電壓表記錄轉(zhuǎn)子正極與定子三相首端的電壓和轉(zhuǎn)角關(guān)系。

圖12 雙饋電機實驗接線圖

3.2 實驗結(jié)果分析

將記錄的數(shù)據(jù)進行處理，代入計算公式，得到轉(zhuǎn)子位置的估計值，并與實際位置進行比較。將比較后的數(shù)據(jù)利用Matlab數(shù)據(jù)處理能力進行擬合，處理后的數(shù)據(jù)如圖13所示。

實驗表明，高頻信號注入法可以很好地檢測雙饋電機轉(zhuǎn)子位置，即用高頻信號注入法替換機械傳感器用于雙饋電機調(diào)速完全可行。

圖13 轉(zhuǎn)子位置的實際值與檢測值

4 結(jié) 語

本文首先對雙饋電機矢量控制進行了分析和仿真。結(jié)果表明,雙饋電機調(diào)速具有很好的動靜態(tài)性能。接著，分析仿真了基于高頻注入法的無傳感器位置和轉(zhuǎn)速檢測，并將高頻注入法檢測的速度和位置反饋回控制系統(tǒng)。結(jié)果表明，基于高頻信號注入法的無傳感器位置和轉(zhuǎn)速檢測，能很好的跟蹤實際位置和轉(zhuǎn)速，同時，基于高頻注入法的雙饋電機無傳感器控制具有很好的動、靜態(tài)性能，因此，高頻信號注入法完全可替換機械傳感器來檢測轉(zhuǎn)速和位置信息，并反饋回調(diào)速系統(tǒng)。最后，搭建實驗平臺，通過實驗，驗證了用高頻注入法替換機械傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置完全可行。

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Sensorless Control of Double-fed Motor Based on High-frequency Signal Injection

DENGXian-ming,CHENJian,FANGRong-hui,YUZi-jie

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116, China)

The real-time signals of position and speed are required to control the closed-loop by vector control system of double-fed motor. Since the speed and position detection with sensor exists some problems such as difficulty of installation and easily failures, the sensorless detection based on high frequency signal injection was proposed. The principle of detecting the rotor position and speed of double-fed motor with high frequency signal injection was analyzed. It means the high frequency signal is injected into the rotor of the motor, the induced high frequency signal is extracted from the stator, and the signals of position and speed are calculated by the algorithm of phase-locked loop (PLL). The vector control model of double-fed motor based on this kind of sensorless control method is established. The feasibility of the double-fed motor position detection with high-frequency signal injection is verified by simulation and prototype experiment, hence it lays a good theoretical basis for the practical application of double-fed motor sensorless control technology.

double-fed motor; vector control; sensorless control; high frequency signal injection; phase-locked loop

2014-01-17

鄧先明(1970-)，男，四川大英人，博士，教授，從事電機與拖動方面的教學與科研工作。

Tel.:0516-83884395;E-mail: xmdeng3883023@hotmail.com

TM 343+.4；G 642.0

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1006-7167(2015)01-0067-06