梅柏杉，高寧，孟悅然（上海電力學院電氣工程學院，上海200090）

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一種新型的MRAS轉速估計法

梅柏杉，高寧，孟悅然
（上海電力學院電氣工程學院，上海200090）

摘要：為提高無速度傳感器直接轉矩控制在低速范圍內的性能，提出一種新型的模型參考自適應（MRAS）轉速辨識法，此方法同時考慮了2個誤差，一個是估計的轉子磁鏈誤差，另一個是估計的電磁轉矩誤差，且自適應結構由兩個并行回路構成，回路分別包含PI和低通濾波器，用于轉子磁鏈和電磁轉矩的調整。仿真結果表明，新型的MRAS轉速辨識方法在低速范圍能有效地克服不穩(wěn)定性。

關鍵詞：感應電機；模型參考自適應法；無速度傳感器；轉速估計

無速度傳感器感應電機調速系統(tǒng)的轉速辨識方法可以被分為兩類，一類是基于模型的轉速觀測器，另一類是基于信號注入的轉速觀測器。基于模型的轉速觀測器的主要缺點就是低速時性能欠佳，以及受電機參數的影響。為了克服這些缺陷，文獻［2-3］提到的一些基于信號注入的轉速辨識法得到了發(fā)展。雖然，這些方法在低速范圍內性能良好，但它們的計算復雜，而信號的注入也需要外部硬件，且信號的注入也會對電機性能帶來不利的影響。因此，考慮到簡單性，基于MRAS的轉速辨識法至今得到廣泛應用。其中，基于轉子磁鏈的MRAS轉速辨識仍是最廣泛使用的方法，但此方法存在純積分問題，以及受電機參數的影響，這些缺陷致使它在低速范圍的性能不佳。因此，本文提出一種新型的MRAS轉速估計法，能克服低速時轉速觀測器的不穩(wěn)定性。

1　感應電機的數學模型

在靜止αβ坐標系下，感應電機的數學模型如下。

電壓、磁鏈方程

轉矩方程

運動方程

2　基于MRAS的轉速觀測器

2.1傳統(tǒng)的MRAS轉速觀測器

傳統(tǒng)的MRAS轉速觀測器即基于轉子磁鏈的MRAS轉速觀測器，其主要依據兩種不同形式的轉子磁鏈的估算模型，它們被稱之為電壓模型和電流模型，由式（1）可推得

由于轉速作為需要辨識的參數，將式（8）以估計值的形式表示為

為使系統(tǒng)全局漸進穩(wěn)定，利用Popov超穩(wěn)定定理可得轉速辨識自適應律為

傳統(tǒng)的MRAS轉速觀測器的結構框圖如圖1所示。由式（7）構成參考模型，式（9）構成可調模型，估計轉速由式（10）可得。但是，傳統(tǒng)的MRAS轉速觀測器的主要缺陷就是低速時估計誤差大，因此，本文提出一種新型的MRAS轉速觀測器。

圖1　傳統(tǒng)的MRAS轉速觀測器的結構框圖Fig.1 The frame of the traditional MRAS speed observer

2.2新型的MRAS轉速觀測器

在新型的MRAS轉速觀測器，同時利用2個估計誤差，一個是轉子磁鏈之間的，另一個是電磁轉矩之間的。由電磁轉矩的表達式（5）可知估計的電磁轉矩為

由電機的運動方程式（6）可知只要電磁轉矩變得與負載轉矩不相等，負載的變化就會引起轉速的變化。同樣地，只要估計的電磁轉矩與實際的電磁轉矩不相等，估計電磁轉矩的變化就會引起估計轉速的變化。式（6）以估計值的形式表示，即

由式（6）減去式（12）可得：

為了得到更加準確的轉速估計值，必須同時考慮以下2個條件：

然后，采用之前構建自適應律的方法，又同時考慮電磁轉矩估計的誤差，自適應律變?yōu)?/p>

式中：τ為機械時間常數。

相比傳統(tǒng)的轉速觀測器，新型的MRAS轉速觀測器的不同之處就在于考慮了電磁轉矩估計的誤差，然后轉矩誤差通過低通濾波器濾波，與2個模型估計的轉子磁鏈誤差經PI調節(jié)器的回路構成并行循環(huán)結構。新型的MRAS轉速觀測器的結構框圖如圖2所示。

圖2　新型的MRAS轉速觀測器的結構框圖Fig.2 The frame of the new MRAS speed observer

3　仿真模型的建立與分析

為了驗證本文提出的新型MRAS轉速觀測器能更好地辨識轉速，對傳統(tǒng)的MRAS和新型MRAS轉速辨識法進行仿真分析比較。利用Matlab建立無速度傳感器感應電機直接轉矩控制系統(tǒng)，其結構框圖如圖3所示。系統(tǒng)仿真的感應電機參數為：Pe=2 kW,Ue=380 V,fe=50 Hz,p=3, Rs=1.9 Ω,Rr=1.8 Ω,Ls=Lr=0.19 H,Lm=0.183 H,ωn=950 r/min,J=0.5 kg?m2。

圖3　無速度傳感器感應電機直接轉矩控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 The schematic diagram of speed sensorless direct torque control system of induction motor

圖4　基于新型MRAS的轉速估計值、實際值及兩者間的誤差Fig.4 The estimated，actual speed and the errors based on the new MRAS

圖5　基于新型MRAS的電磁轉矩估計值、實際值及兩者間的誤差Fig.5 The estimated，actual electromagnetic torque and the errors based on the new MRAS

圖6　基于傳統(tǒng)MRAS的轉速估計值、實際值及兩者間的誤差，實際電磁轉矩Fig.6 The estimated，actual speed and the errors，the actual electromagnetic torque based on the traditional MRAS

從圖4可看出新型的MRAS轉速辨識法在給定電機轉速變化時，估計值與實際值都立即響應，且穩(wěn)態(tài)時估計偏差趨于0，在t=1.8 s時突加負載，轉速稍有下降，但很快恢復跟蹤給定值，具有很好的抗干擾能力。由圖4b與圖6b比較可看出，即使是在低速范圍，新型的MRAS轉速辨識法相比之下轉速估計偏差更小，轉速辨識的精度更好。由圖5可看出新型的MRAS轉速辨識法在給定轉速變化和突加負載的情況下，電磁轉矩的估計偏差很小，且能夠快速響應。由圖5a與圖6c

比較可知，低速范圍，新型的MRAS辨識法電磁轉矩脈動相比更小，抗擾能力更強。

4　結論

本文提出了一種新型的MRAS轉速辨識方法，相比傳統(tǒng)的基于轉子磁鏈的MRAS轉速辨識法，它不僅在低速時辨識精度更好且穩(wěn)定，而且在給定轉速變化和突加負載的情況下也能更快響應，對負載的抗干擾能力也更強。

參考文獻

［1］Finch J W，Giaouris D. Controlled AC Electrical Drives［J］IEEE Trans. Ind. Electron.，2008，55（2）：481-491.

［2］Ha J-I，Sul S-K. Sensorless Field-orientation Control of an In?duction machine by High-frequency Signal Injection［J］. IEEE Trans. Ind. Appl.，1999，35（1）：45-51.

［3］Caruana C，Asher GM，Sumner M.Performanceof High Frequen?cy Signal Injection Techniques for Zero-low-frequency Vector Control Induction Machines Under Sensorless Conditions［J］IEEE Trans. Ind. Electron.，2006，53（1）：225-238.

［4］吳桂賢.基于SVPWM的感應電機直接轉矩控制研究［D］.武漢：華中科技大學，2009.

［5］劉艷科.感應電機直接轉矩控制低速性能優(yōu)化研究［D］.大連：大連理工大學，2010.

［6］Maiti S，Chakraborty C，Hori Y，et al. Model Reference Adap?tive Controller-based Rotor Resistance and Speed Estimation Techniques for Vector Controlled induction Motor Drive Utiliz?ing Reactive Power［J］. IEEE Trans. Ind. Electron.，2008，55 （2）：594-601.

［7］陳健強，黃劭剛，洪劍鋒，等.基于無速度傳感器的異步電機控制方法探討［J］.煤礦機械，2015，36（1）：123-124.

［8］林新涵.異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的研究［D］.浙江：浙江理工大學，2014.

［9］Verma V，Chakraborty C，Maiti S，et al. Speed Sensorless Vec?tor Controlled Inductionmotor Drive Using Single Current Sen?sor［J］. IEEE Trans.Energy Convers.，2013，28（4）：938-950.

修改稿日期：2016-01-19

New MRAS Rotor Speed Estimation Method

MEI Baishan，GAO Ning，MENG Yueran
（College of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）

Abstract:In order to improve the performance of speed sensorless DTC control in the low speed regions，proposed a new MRAS rotor speed estimation method，it considered two differences at the same time，one was between rotor fluxs，another was between electromagnetic torques，and the adaptive mechanism contained two parallel loops which having PI and low-pass filter to adjust the rotor flux and electromagnetic torque.Simulation results show that the new MRAS rotor speed estimation method is effective in the low speed regions.

Key words:induction machine；model reference adaptive system（MRAS）；speed sensorless control；speed estimation

收稿日期：2015-05-14

作者簡介：梅柏杉（1957-），男，本科，教授，Email:meibs67@163.com

基金項目：上海綠色能源并網工程技術研究中心（13DZ2251900）

中圖分類號：TM346

文獻標識碼：A