定子磁場定向無速度傳感器異步電機控制系統研究

暴國輝，梅柏杉，鄧德衛，虞江，傅闖

(1.呼倫貝爾電業局，內蒙古 呼倫貝爾 021000;2.上海電力學院，上海 200090;3.湘潭大學，湖南 湘潭 411100)

1 引言

無速度傳感器［1，2］磁場定向矢量控制技術的關鍵是如何準確獲取磁場定向角以及電機的轉速信息。它們不僅與定子電壓和電流有關，同時還與電機的定、轉子參數有著密切的關系［3－5］。本文提出一種改進的MRAS(模型參考自適應)磁鏈轉速觀測器，同時辨識了定子磁鏈和轉子轉速，并在此基礎上實現了定子電阻的在線調整和定子電阻壓降的補償。構成了定子電阻壓降補償和電流轉矩分量的閉環控制的矢量控制系統，實現了定子磁鏈的控制。仿真表明該系統在低速范圍具有較強的魯棒性。

2 定子磁鏈觀測和轉速辨識

2.1 MRAS 法

模型參考自適應系統(MRAS)辨識方法，將電壓模型作為參考模型，電流模型作為可調模型，比較由電壓模型和電流模型分別得到的定子磁鏈，取其廣義誤差，進行PI控制，其輸出即構成角速度信號的估計值，再反饋給電流模型實現閉環控制，可以消除轉子參數的影響，對電機轉速和磁鏈同時進行辨識，具體結構如圖1所示。

可設計廣義誤差環節為:

自適應算法為一PI調節器

上述MRAS觀測器仍然存在積分初始誤差問題，影響了轉速及磁鏈的辨識，所以在實際應用中仍需改進。

圖1 MRAS模型結構框圖

2.2 改進的MRAS方法辨識磁鏈和轉速

針對以上MRAS磁鏈觀測器存在的缺點，我們提出了一種改進的MRAS磁鏈觀測器，其基本結構是電流模型在前，電壓模型在后，兩者成串聯形式，如圖2所示。

圖2 改進的MRAS模型結構框圖

基本工作原理如下:由is與ωs經電流模型得到ψs的觀測值ψ*s，再經過電壓模型由ψ*s和is得到的Us觀測值，然后利用實際檢測得到的電壓Us和觀測到的電壓經過廣義誤差環節得到廣義電壓誤差，再經過PI調節器，其輸出量即為轉速觀測值ωs由此構成一個閉環觀測模型，實現了轉速、磁鏈同時觀測。原電壓模型積分環節變成了求導環節，解決了積分初始誤差問題。

圖3和圖4分別為MRAS模型和改進的MRAS模型下異步電機20Hz速度運行的實際磁鏈和MRAS模型辨識磁鏈β軸的仿真波形，仿真時間為1s，其中藍色為實際磁鏈，紅色為辨識的磁鏈。從波形可以看出，MRAS模型對轉子參數的自適應性很好，但由于其參考模型中含有積分環節，所以對直流偏置的誤差不能消除。同時，由于電壓模型中電阻參數的存在，定子電阻變化對磁鏈辨識準確度有一定的影響。改進的MRAS模型基本消除了直流擾動和定、轉子參數的影響(藍色與紅色波形已基本重合)，魯棒性很好。

3 電阻辨識與壓降補償

在異步電動機變頻調速系統中，定子電阻是最基本的參數之一。無論是在按定子磁場定向矢量控制還是在直接轉矩控制中，系統的性能都受到定子電阻變化的影響，在高速情況下這種影響可以忽略，但是在低速下這種影響則非常嚴重。在實際系統中，定子電阻受到很多因素的影響，所以在設計異步電機按定子磁場定向控制系統時，必須考慮定子電阻變化對系統造成的影響。

圖3 MRAS法模型實際磁鏈和辨識磁鏈的比較波形

圖4 改進的MRAS法模型實際磁鏈和辨識磁鏈的比較波形

定子磁鏈與感應電機電動勢的方程為:

由上式看出，定子電阻會在電機定子相電壓上產生壓降Rsis，定子磁鏈的感應電動ˉes勢受到定子電流矢量的大小和相位影響。電機低速運行時，定子電阻上產生的壓降占定子相電壓的比例很大，是不能忽略的。所以有必要對定子相電壓采用壓降補償的方法，消除定子電阻上的壓降。隨溫度而變化的電機定子電阻實時值難以直接獲得，所以實現壓降補償關鍵便是使定子電阻的設定值與電機的定子電阻實時值相等。

列出異步電機按定子磁場定向在兩相坐標系下的穩態數學模型

在控制系統中，采用定子電阻壓降補償后，可以直接控制定子磁鏈，只要控制系統中的定子電阻設定值R*s和運行中的電機實時值Rs相等即R*s=Rs，那么在指令電壓中加上一個抵消定子電阻壓降的分量R*sis，則無論定子電流如何變化，都有下式成立:

在兩相坐標系中，為保持定子磁鏈恒定，即令控制系統中的電壓指令為

式中，Ψ*s為異步電機定子磁鏈的幅值指令值，在定子磁鏈定向系統中有ψ*sd=ψ*s。若不計逆變器的管壓降和死區電壓損耗，則電機中的感應電動勢為［6］:

利用以上不受電阻參數變化影響的改進的MRAS定子磁鏈觀測器，構造定子電阻辨識器，可以實現定子電阻在線辨識和校正。定子電阻壓降補償控制框圖如圖5所示。

由式(7)可知，如果定子電阻值發生變化，即給定電阻值R*s與電機實時值Rs不相等，那么定子磁鏈的幅值觀測值與指令值必將有誤差。在圖5中，定子磁鏈觀測器觀測出定子磁鏈幅值，將定子磁鏈的指令值ψ*s與觀測值之差作為定子電阻辨識器的輸入，辨識器將根據磁鏈誤差增大或減小R*s值，直到輸入誤差為零即。在=ψ*s時，定子電阻的辨識值便校正到電機定子電阻實際值，電機定子電阻上的壓降得到完全補償。

圖5 定子磁鏈觀測及定子電阻辨識器框圖

4 系統仿真與實驗結果

異步電機按定子磁場定向的無速度傳感器矢量控制系統結構如圖6所示。

圖中定子磁鏈觀測器采用改進的MRAS方法，同時觀測定子磁鏈和轉子角速度，定子電阻由定子磁鏈給定值和觀測值經過PI調節得到。給定轉速n*與磁鏈觀測器輸出的估算轉速相比較，誤差信號送入轉速調節器，經轉速調節器作用，產生電流轉矩分量給定信號I*sq，I*sq與定子電流d軸分量送入轉差計算模塊，計算出轉矩所需的轉差角頻率ω*s，ω*s與轉子角頻率ω^r相加得到定子同步角頻率ω。

電機的dq電壓信號V*sd、V*sq，根據電機定子電壓公式推導得到，即

電壓信號V*sd、V*sq、定子同步角度φ和逆變器直流側電壓Ud，經過旋轉變換得到定子給定電壓αβ分量，送入SVPWM模塊進行調制，生成逆變器所需SVPWM信號。

按圖6所示的系統原理框圖連接各模塊，搭建仿真模型。電機參數設置如下:UN額定電壓為380V，額定電流IN為8A，極對數np=4，額定轉速n=705，定子漏感Ls=0.00501H，轉子漏感Lr=0.00456H，互感為0.09751H，定子電阻 Rs=0.625Ω，轉子電阻初始值Rr=0.5Ω，轉動慣量 J=0.23kg·m2，額定轉矩 T=70N·m。機側采用LCL濾波，濾波電感L=1.0mH，濾波電容C=10μF。對電機帶額定負載轉矩啟動，在300轉/分低速運行(對應同步轉速的頻率為20Hz)，進行不同工況下的仿真。

(1)定子電阻辨識與補償作用的分析

給定轉速300轉/min，設定定子電阻在0.5s時由0.625Ω突變至1.625Ω，觀察電機運行情況。

圖7為定子電阻變化時電機運行特性波形和定子電阻、定子磁鏈、轉速辨識，仿真波形表明，由于系統定子電阻辨識及電阻壓降補償準確，系統幾乎不受定子電阻變化影響，電機運行穩定。

圖7 定子電阻變化電機運行特性

(2)負載轉矩變化時系統動態性能分析

設定負載轉矩在0.3s時由額定負載轉矩70N·m躍變為100N·m，在0.6s時由100N·m躍變為70N·m，觀察電機運行情況。

圖8為負載階躍升高和降低額定負載值的43%時電機運行特性圖。(圖中深色為實際磁鏈，淺色為辨識的磁鏈。)

圖8 負載階躍升高和降低額定負載值的43%時電機運行特性

(3)電網電壓跌落時系統的穩定性分析

設定電網相電壓在0.5s時跌落20%，觀察電機運行情況。

圖9 電網電壓跌落20%電機運行特性

圖9為電網電壓跌落20%電機運行特性，可以看出，電網電壓跌落后系統仍然保持穩定運行。(圖中深色為實際磁鏈，淺色為辨識的磁鏈。)

5 結論

在異步電機按定子磁場定向控制系統中，通過利用定子磁鏈辨識值和磁鏈給定值誤差進行PI調節辨識定子電阻，進行定子電阻在線辨識與電阻壓降補償能夠很好地消除定子電阻變化對系統的影響。特別是電機在低速運行時，定子電阻變化對系統的影響降到很小，控制系統不僅能很好的應對自身電阻變化時產生的問題，對外界因素變化也具有很強的抗干擾性，整個系統具有很好的魯棒性。

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