賀虎成,行俊鋒,張玉峰,祁玄玄
(1.西安科技大學(xué),西安 710054;2.合肥工業(yè)大學(xué),宣城 242000)
異步電機(jī)的磁鏈觀測(cè)和轉(zhuǎn)速辨識(shí)研究
賀虎成1,行俊鋒1,張玉峰1,祁玄玄2
(1.西安科技大學(xué),西安 710054;2.合肥工業(yè)大學(xué),宣城 242000)
準(zhǔn)確的辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速,可進(jìn)一步提高異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的性能。通過(guò)分析電壓模型和電流模型獲得了磁鏈的混合觀測(cè)模型,利用該模型估算出轉(zhuǎn)子磁鏈和磁場(chǎng)定向角,并進(jìn)一步辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速。搭建了以TMS320F28335為控制核心的硬件平臺(tái),對(duì)磁鏈觀測(cè)和轉(zhuǎn)速辨識(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,表明該辨識(shí)算法可行。
異步電機(jī);轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型;轉(zhuǎn)速辨識(shí);無(wú)速度傳感器;矢量控制
目前,電機(jī)速度反饋量普遍采用傳感器進(jìn)行測(cè)量。因此,必須在電機(jī)軸上安裝位置傳感元件或者光電數(shù)字脈沖編碼器等儀器。但這會(huì)帶來(lái)許多問題,比如系統(tǒng)維護(hù)困難、魯棒性降低、不適用于惡劣場(chǎng)所等等。因此近些年來(lái)無(wú)速度傳感器的高性能異步電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的普遍關(guān)注。
磁鏈觀測(cè)和轉(zhuǎn)速辨識(shí)直接決定無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的性能。常見的磁鏈觀測(cè)模型有電壓模型和電流模型。電流模型易受電機(jī)參數(shù)和轉(zhuǎn)速的影響,在高速時(shí)估算不準(zhǔn);而電壓模型涉及純積分環(huán)節(jié),所以存在累計(jì)誤差和漂移問題,在低速時(shí)估算不準(zhǔn)。轉(zhuǎn)速辨識(shí)的控制方式主要有定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補(bǔ)償法、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算法、模型參考自適應(yīng)MRAS法和轉(zhuǎn)子磁鏈角速度計(jì)算法[1-3]。本文采用電壓模型和電流模型混合的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型,選取合適的PI參數(shù),充分發(fā)揮了電壓模型和電流模型的優(yōu)點(diǎn),利用轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型的輸出,作為速度辨識(shí)的輸入,辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速,并在轉(zhuǎn)速辨識(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證。
轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁解耦的重要模型, 它所計(jì)算出的磁場(chǎng)定向角和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)解耦和轉(zhuǎn)速辨識(shí)的重要參數(shù)。通過(guò)電壓模型和電流模型可推導(dǎo)出混合磁鏈觀測(cè)模型,這樣就可以使磁鏈觀測(cè)模型根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速應(yīng)用不同的模型,在全速范圍內(nèi)都有一個(gè)較準(zhǔn)確的估算值[4]。轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型方程如下:
電流模型法:
(1)
(2)
在兩相靜止坐標(biāo)系中,由電流模型中轉(zhuǎn)子磁鏈方程可得定子磁鏈的方程:
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
式中:Kp為比例增益,Ki為積分增益。根據(jù)式(5)、式(6)得到的定子磁鏈,再通過(guò)對(duì)式(3)、式(4)進(jìn)行整理,可得基于電壓模型下的轉(zhuǎn)子磁鏈方程式:
(9)
(10)
由此,便可以求得轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和磁場(chǎng)定向角的計(jì)算公式分別:
(11)
(12)
根據(jù)以上算法可得轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型框圖如圖1所示。
圖1 磁鏈估算系統(tǒng)框圖
無(wú)速度傳感器就是去掉電機(jī)上原本裝有的速度傳感器,不經(jīng)過(guò)傳感器反饋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,而是通過(guò)間接法獲得電機(jī)運(yùn)行的實(shí)際轉(zhuǎn)速[5]。無(wú)速度傳感器應(yīng)用的前提是必須要能準(zhǔn)確地辨識(shí)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速,本文采用的速度估算方法是基于反電動(dòng)勢(shì)的速度估算法,即利用基于反電動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型中算出的磁場(chǎng)定向角 ,進(jìn)一步算出同步角速度 ,然后減去轉(zhuǎn)差角速度 ,最終得到轉(zhuǎn)子實(shí)際角速度[6]。這種算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,受電機(jī)參數(shù)影響較小。
通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)定向角方程式(12)求導(dǎo),可以得出轉(zhuǎn)子磁鏈角速度(同步角速度):
(13)
將式(9)、式(10)整理后帶入式(13)有:
(14)
轉(zhuǎn)子角速度ωr能被表示:
(15)
為了防止計(jì)算數(shù)值較大,對(duì)式(15)進(jìn)行單位化,兩邊同時(shí)除以基本的電角速度ωb=2πfb,fb為基本頻率,可得:
(16)
(17)
式(17)中某些數(shù)據(jù)過(guò)高或過(guò)低會(huì)影響模型的穩(wěn)定性,而離散化可以減弱極端值的影響,因此,對(duì)式(17)離散化,整理得:
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
式中:ωr表示電機(jī)的實(shí)際角速度。
3.1 實(shí)驗(yàn)裝置
無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。主回路采用電壓源型交-直-交變頻電路,由三相二極管整流和三相橋式逆變兩部分組成;控制電路是以TMS320F28335為核心的控制板,主要負(fù)責(zé)算法實(shí)現(xiàn),母線電壓檢測(cè)電路提供欠壓、過(guò)壓保護(hù)等,光耦驅(qū)動(dòng)電路將強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)隔離開,起到保護(hù)電路的作用;電流檢測(cè)電路將逆變器輸出的三相電流經(jīng)霍爾傳感器采集后,調(diào)理成適合微處理器采集的電壓信號(hào),上位機(jī)和面板能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和遠(yuǎn)程通信功能。
圖2 矢量控制系統(tǒng)硬件框圖
電機(jī)的額定參數(shù)為:Pn=11kW,Un=380V,In=24.5A,fn=50Hz,Nn=905r/min,p=6,Rs=0.476Ω,Rr=0.587Ω,Ls=70.98mH,Lr=123.68mH。
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
利用所搭建的矢量變頻控制硬件平臺(tái),采用上述磁鏈觀測(cè)和轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
如圖3所示為給定轉(zhuǎn)速為300r/min,在電機(jī)運(yùn)行階段改變電機(jī)轉(zhuǎn)向,從圖中可以看出,辨識(shí)轉(zhuǎn)速能很好的跟蹤實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速,可準(zhǔn)確辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖4為轉(zhuǎn)子磁鏈波形,從圖中可以看出磁鏈幅值波動(dòng)較小。圖5為磁場(chǎng)定向角的波形。圖6為勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流波形,在電機(jī)運(yùn)行階段突加16N·m的負(fù)載,帶負(fù)載運(yùn)行一段時(shí)間后卸掉負(fù)載,由圖可知,突加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)矩電流增大,而勵(lì)磁電流不變;卸掉負(fù)載后,轉(zhuǎn)矩電流立即減小,返回空載時(shí)刻的電流值,而勵(lì)磁電流波形仍然保持恒定,該波形證明,無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩的完全解耦。
圖3 轉(zhuǎn)速波形
圖4 轉(zhuǎn)子磁鏈波形
圖5 磁場(chǎng)定向角
圖6 勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流波形
本文通過(guò)異步電機(jī)的磁鏈電壓模型和電流模型,獲得了混合磁鏈觀測(cè)模型,并利用模型輸出準(zhǔn)確辨識(shí)了電機(jī)轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法具有較好的準(zhǔn)確性和實(shí)用性,可以應(yīng)用于無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁的完全解耦。
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ResearchonFluxObservationandSpeedIdentificationofAsynchronousMotor
HE Hu-cheng1,XING Jun-feng1,ZHANG Yu-feng1,QI Xuan-xuan2
(1.Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi'an710054,China;2.HefeiUniversityofTechnology,Xuancheng242000,China)
Theperformanceofspeedsensorlessvectorcontrolsystemofasynchronousmotorcanbefurtherimprovedbyaccuratespeedidentificationofmotorspeed.Byanalyzingthevoltagemodelandcurrentmodel,themixedobservationmodeloffluxlinkagewasobtained.Therotorfluxandmagneticfieldorientationangleareestimatedbythemodel,whichfurtheridentifiesmotorspeed.TheexperimentiscarriedouttoverifythefluxobservationandspeedidentificationonthehardwareplatformbasedonTMS320F28335,whichshowsthattheidentificationalgorithmisfeasible.
asynchronousmotor;rotorfluxobservationmodel;speedidentification;speed-sensorless;vectorcontrol
2016-06-27
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51307137);陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(15JK1459)
TM
A
1004-7018(2017)01-0070-03
賀虎成(1979-),男,博士,副教授,研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、智能自動(dòng)化裝置和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等。