一種改進的模型參考自適應定子磁鏈觀測器

暴國輝，鄧德衛，梅柏杉，虞江，傅闖

(1.湘潭大學,湖南 湘潭 411100;2,上海電力學院,上海 200090)

一種改進的模型參考自適應定子磁鏈觀測器

暴國輝1，鄧德衛1，梅柏杉2，虞江1，傅闖1

(1.湘潭大學,湖南 湘潭 411100;2,上海電力學院,上海 200090)

分析了幾種常用磁鏈觀測方法，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。在異步電機按定子磁場定向控制系統中，采用定子電阻壓降補償和電流轉矩分量的閉環控制，實現了定子磁鏈的控制，系統具有較好的魯棒性。

MRAS；矢量控制；磁鏈觀測

1 引言

近年來，高性能無速度傳感器[1]矢量控制的實現吸引了各國科研工作者的廣泛關注，并已成為了驅動控制研究的熱點之一[2]。無速度傳感器矢量控制仍然沿用磁場定向控制技術，只是轉速獲得方法不同。因此，無速度傳感器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[3，4]。基于上述情況，本文提出一種改進的MRAS(模型參考自適應)[5]磁鏈轉速觀測器，同時辨識了定子磁鏈和轉子轉速。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 常用定子磁鏈觀測方法

2.1 U-I模型

根據異步電機定子電壓方程

(1)

可以得到：

ψs=∫(us-Rsis)dt=∫Esdt

(2)

其中，us為定子電壓矢量；is為定子電流矢量；Es為定子反電動勢；ψs為定子磁鏈矢量。

圖1為異步在電機20Hz頻率下運行的實際磁鏈和U-I模型辨識磁鏈β軸的仿真波形，其中灰色為實際磁鏈，黑色為辨識的磁鏈。從圖中可以看出，由于純積分和定子電阻的影響，使得電壓模型觀測的磁鏈增大，并且產生了直流偏置，辨識出現誤差。

2.2 I-N模型

根據三相異步電機轉子電壓方程和磁鏈方程：

(3)

圖1 U-I法模型實際磁鏈和辨識磁鏈的比較波形

圖2 I-N法模型實際磁鏈和辨識磁鏈的比較波形

由上式可以得到：

(4)

上式便是基于定子電流，轉子轉速的磁鏈觀測模型，圖2為異步電機磁鏈辨識仿真波形。可以看出，I-N模型要比U-I性能好很多，但是在轉子參數變化時仍然不能對磁鏈準確辨識。

2.3 MRAS法

圖3 MRAS模型結構框圖

可設計廣義誤差環節為：

(5)

自適應算法為一PI調節器

(6)

圖4為MRAS模型下異步電機磁鏈辨識仿真波形。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，由于電壓模型中含電阻參數，因而定子電阻變化對磁鏈辨識準確度有一定的影響，在實際應用中仍需改進。

3 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，本文提出了一種改進的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5所示。

圖4 MRAS法模型實際磁鏈和辨識磁鏈的比較波形

圖5 改進的MRAS模型結構框圖

圖6為改進的MRAS模型下異步電機磁鏈辨識仿真波形。從波形可以看出，改進的MRAS模型基本消除了直流擾動和定子電阻的影響。比較上述四種種模型下的磁鏈辨識情況，改進的MRAS磁鏈觀測模型基本不受定、轉子參數和直流擾動的影響(藍色與紅色波形基本重合)，魯棒性很好。

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7所示。

圖6 改進的MRAS法模型實際磁鏈和辨識磁鏈的比較波形

圖7 定子磁場定向的無速度傳感器矢量控制框圖

按圖7所示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：額定電壓UN為380V，額定電流IN為8A，極對數np=4，額定轉速n=705rpm/min，定子漏電感Ls=0.00501H，轉子漏電感Lr=0.00456H，互感為0.09751247H，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。由于定子電阻的變化對電機在低速時影響較大，所以對電機帶額定負載轉矩啟動，在300rpm/min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。

4.1 定子電阻辨識與補償作用的分析

給定轉速300rpm/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8 定子電阻變化電機運行特性

圖8為定子電阻變化時電機運行特性波形圖，可看出定子電阻辨識能夠準確辨識，定子磁鏈基本保持不變，轉速辨識值能夠很好地跟隨實際轉速。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。

4.2 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9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，在0.3～0.6s之間，負載轉矩增大，電機定子電流上升，轉子轉速擾動較小，基本保持穩定，定子磁鏈幾乎不受影響，系統動態性能良好。

圖9 負載階躍升高和降低額定負載值的43%時電機運行特性

5 結論

在感應電機按定子磁場定向控制系統中，采用改進的MRAS模型辨識定子磁鏈,解決了定轉子參數變化和純積分對磁鏈辨識帶來的誤差。在此基礎上構成了異步電機按定子磁場定向控制系統，電機在低速運行時，整個系統具有很好的魯棒性。

[1] Holtz,J.Sensorless control of induction motor drives,Proceedings of the IEEE,2002:1359-1394.

[2] 馮垛生，曾岳南.無速度傳感器矢量控制原理與實踐[M].2版.北京:機械工業出版社，2006,2:66-86.

[3] 劉軍鋒，李葉松.定子電阻對無速度傳感器系統的影響及其在線調整[J].電氣傳動，2007(37):6-9.

[4] 張春朋，林飛，陳壽孫.改進U-I法異步電機轉子磁鏈估計器[J].中國電機工程學報，2004(24):126-129.

[5] 李健，程小華.MRAS感應電機定子電阻的在線辨識[J].電機與控制學報，2007(11):620-623.

An Improved MRAS Stator Flux Observer

BAOGuo-hui1,DENGDe-wei1,MEIBai-shan2,YUJiang1,FUChuang1

(1.Xiangtan University,Xiangtan 411100,China;2.Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)

An improvement MRAS (model reference adaptive system) flux and speed observer which identifies the stator flux and rotor speed is analyzed.Stator resistance compensation and torque component of current closed loop control strategy is adapted in stator flux oriented sensorless vector control of induction motor system.Stator flux control is realized and the system has a good robust.

MRAS;vector control;flux linkage observation

上海市教委重點學科建設項目資助(J51301)； 上海市教委自然科學基金(07ZZ146) 。

1004-289X(2014)02-0008-05

TM614

B

2013-05-10

暴國輝(1987-)，男，碩士研究生，研究方向為電機控制、電機設計及電磁分析; 梅柏杉(1958-)，男，本科，教授級高工，碩士生導師，研究方向為電力傳動控制系統、風力發電、特種電機及其控制系統。