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)
異步電機的磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識研究
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)
準確的辨識電機轉(zhuǎn)速,可進一步提高異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的性能。通過分析電壓模型和電流模型獲得了磁鏈的混合觀測模型,利用該模型估算出轉(zhuǎn)子磁鏈和磁場定向角,并進一步辨識電機轉(zhuǎn)速。搭建了以TMS320F28335為控制核心的硬件平臺,對磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識進行了實驗驗證,表明該辨識算法可行。
異步電機;轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型;轉(zhuǎn)速辨識;無速度傳感器;矢量控制
目前,電機速度反饋量普遍采用傳感器進行測量。因此,必須在電機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。但這會帶來許多問題,比如系統(tǒng)維護困難、魯棒性降低、不適用于惡劣場所等等。因此近些年來無速度傳感器的高性能異步電機交流調(diào)速系統(tǒng)越來越受到人們的普遍關(guān)注。
磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識直接決定無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的性能。常見的磁鏈觀測模型有電壓模型和電流模型。電流模型易受電機參數(shù)和轉(zhuǎn)速的影響,在高速時估算不準;而電壓模型涉及純積分環(huán)節(jié),所以存在累計誤差和漂移問題,在低速時估算不準。轉(zhuǎn)速辨識的控制方式主要有定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補償法、感應(yīng)電動勢計算法、模型參考自適應(yīng)MRAS法和轉(zhuǎn)子磁鏈角速度計算法[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,利用轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型的輸出,作為速度辨識的輸入,辨識電機轉(zhuǎn)速,并在轉(zhuǎn)速辨識實驗平臺進行了驗證。
轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型是實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和勵磁解耦的重要模型, 它所計算出的磁場定向角和轉(zhuǎn)子磁鏈是實現(xiàn)解耦和轉(zhuǎn)速辨識的重要參數(shù)。通過電壓模型和電流模型可推導(dǎo)出混合磁鏈觀測模型,這樣就可以使磁鏈觀測模型根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速應(yīng)用不同的模型,在全速范圍內(nèi)都有一個較準確的估算值[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,再通過對式(3)、式(4)進行整理,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)子磁鏈幅值和磁場定向角的計算公式分別:
(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
無速度傳感器就是去掉電機上原本裝有的速度傳感器,不經(jīng)過傳感器反饋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,而是通過間接法獲得電機運行的實際轉(zhuǎn)速[5]。無速度傳感器應(yīng)用的前提是必須要能準確地辨識轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速,本文采用的速度估算方法是基于反電動勢的速度估算法,即利用基于反電動勢的轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型中算出的磁場定向角 ,進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)子實際角速度[6]。這種算法結(jié)構(gòu)簡單,受電機參數(shù)影響較小。
通過對磁場定向角方程式(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)
為了防止計算數(shù)值較大,對式(15)進行單位化,兩邊同時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)過高或過低會影響模型的穩(wěn)定性,而離散化可以減弱極端值的影響,因此,對式(17)離散化,整理得:
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
式中:ωr表示電機的實際角速度。
3.1 實驗裝置
無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,主要負責算法實現(xiàn),母線電壓檢測電路提供欠壓、過壓保護等,光耦驅(qū)動電路將強電信號和弱電信號隔離開,起到保護電路的作用;電流檢測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,上位機和面板能實現(xiàn)人機交互和遠程通信功能。
圖2 矢量控制系統(tǒng)硬件框圖
電機的額定參數(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 實驗結(jié)果分析
利用所搭建的矢量變頻控制硬件平臺,采用上述磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速辨識方法進行實驗驗證。
如圖3所示為給定轉(zhuǎn)速為300r/min,在電機運行階段改變電機轉(zhuǎn)向,從圖中可以看出,辨識轉(zhuǎn)速能很好的跟蹤實測轉(zhuǎn)速,可準確辨識電機轉(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較小。圖5為磁場定向角的波形。圖6為勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流波形,在電機運行階段突加16N·m的負載,帶負載運行一段時間后卸掉負載,由圖可知,突加負載時轉(zhuǎn)矩電流增大,而勵磁電流不變;卸掉負載后,轉(zhuǎn)矩電流立即減小,返回空載時刻的電流值,而勵磁電流波形仍然保持恒定,該波形證明,無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)實現(xiàn)了勵磁和轉(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 磁場定向角
圖6 勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流波形
本文通過異步電機的磁鏈電壓模型和電流模型,獲得了混合磁鏈觀測模型,并利用模型輸出準確辨識了電機轉(zhuǎn)速。實驗結(jié)果表明,該方法具有較好的準確性和實用性,可以應(yīng)用于無速度傳感器矢量控制系統(tǒng),實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和勵磁的完全解耦。
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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
國家自然科學(xué)基金項目(51307137);陜西省教育廳科研計劃項目(15JK1459)
TM
A
1004-7018(2017)01-0070-03
賀虎成(1979-),男,博士,副教授,研究方向為電力電子技術(shù)、智能自動化裝置和運動控制技術(shù)等。