具有轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)的變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制

孫鐵成, 劉　璐, 孫　航, 申宏偉, 娜仁圖亞

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程系, 黑龍江 哈爾濱　150001 )

?

具有轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)的變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制

孫鐵成, 劉璐, 孫航, 申宏偉, 娜仁圖亞

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程系, 黑龍江 哈爾濱150001 )

研究一種基于模型參考自適應(yīng)(MRAS)的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)方法:將轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)中的電壓模型和電流模型分別作為參考模型與可調(diào)模型,通過自適應(yīng)機(jī)構(gòu)得到趨于實(shí)際值的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)值。并設(shè)計(jì)了具有轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)功能的磁場定向控制變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件部分以智能功率模塊(IPM)逆變電路和基于PCI總線的DSP運(yùn)動(dòng)控制電路為核心。在VisualC++環(huán)境下設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面,編寫優(yōu)化控制算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方案能減小轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響,較好地改善系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。

變頻調(diào)速； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái); 磁場定向控制； 模型參考自適應(yīng)； 轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)

矢量控制原理是通過坐標(biāo)變換,將電機(jī)的三相定子電流分解為與磁場方向一致的勵(lì)磁電流分量和與之垂直的轉(zhuǎn)矩電流分量,這就使得磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制相互解耦,獲得與直流電機(jī)控制系統(tǒng)相媲美的調(diào)速性能[1-2]。根據(jù)磁場定向所采用基準(zhǔn)方向的不同,矢量控制又可以分為基于轉(zhuǎn)子磁場定向、基于定子磁場定向和基于氣隙磁場定向的矢量控制方式3種[3],實(shí)際中使用較為廣泛的是基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制。矢量控制對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性強(qiáng),其中轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的變化對(duì)控制系統(tǒng)性能影響最大[4]。

本文設(shè)計(jì)了具有轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)功能的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件部分采用智能功率模塊(IPM)逆變電路,并以基于PCI總線的DSP運(yùn)動(dòng)控制電路實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換；軟件部分通過VisualC++對(duì)控制算法進(jìn)行編程,并設(shè)計(jì)便于二次開發(fā)及安全控制的人機(jī)交互界面。

1　基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制策略

1.1轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制原理

取d軸沿轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶喀譺方向,q軸方向垂直于d軸,便可得到按轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系[5]。在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,異步電機(jī)矢量控制中轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr僅由定子電流勵(lì)磁分量產(chǎn)生,而定子電流轉(zhuǎn)矩分量可以控制轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)定子電流2個(gè)分量的解耦。圖1為轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制原理圖(圖中量下標(biāo)r表示轉(zhuǎn)子，下標(biāo)s表示定子,帶*量為給定值)。定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量分別經(jīng)過調(diào)節(jié)器得到d軸和q軸的定子電壓給定值,該信號(hào)經(jīng)過坐標(biāo)變換和SVPWM調(diào)制得到脈沖信號(hào),控制逆變器的輸出電壓,從而控制電機(jī)。SVPWM調(diào)制法不僅使電機(jī)的電流與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低,并且易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)[6-7]。

圖1　轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制原理圖

1.2轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型

轉(zhuǎn)子磁場定向的準(zhǔn)確度決定著定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量能否完全解耦,進(jìn)而決定控制系統(tǒng)的性能。而轉(zhuǎn)子磁場定向的關(guān)鍵在于Park坐標(biāo)變換中轉(zhuǎn)子磁鏈位置角度的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中,轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算主要有電壓模型與電流模型兩種,它們都是在兩相靜止坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)的[8]。

1.2.1轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型

(1)

式中,Lr為轉(zhuǎn)子繞組電感,Lm為轉(zhuǎn)子與定子間互感,Rs為定子繞線電阻,Ls為定子繞線電感,isα和isβ為定子電流α分量。

1.2.2轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型

(2)

式中ω為轉(zhuǎn)子信號(hào)角頻率,Tr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)。

將轉(zhuǎn)子磁鏈在極坐標(biāo)系下表示,可得:

其中電壓模型由于含有定子電阻,在低速時(shí)受到定子電阻上的電壓降影響較大,并且由于該公式中含有積分項(xiàng),容易產(chǎn)生積分漂移誤差。電流模型雖然在高低速下都能夠適用,但受電機(jī)參數(shù)的影響較大。若想實(shí)現(xiàn)更高精度的轉(zhuǎn)子磁場定向,需要對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型進(jìn)行改進(jìn)。

2　基于MRAS的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)原理

2.1模型基于自適應(yīng)原理

模型參考自適應(yīng)(MRAS)系統(tǒng)的主要思想是將不含待辨識(shí)值的方程作為參考模型,而將含有待辨識(shí)值的方程作為可調(diào)模型,兩個(gè)模型輸出相同意義的物理量,該輸出量的誤差經(jīng)過自適應(yīng)機(jī)構(gòu)后返回給可調(diào)模型,于是在穩(wěn)態(tài)時(shí)當(dāng)輸出的誤差量趨近于零,這時(shí)辨識(shí)值就會(huì)趨近于實(shí)際值,根據(jù)上述方法就可以得到待辨識(shí)值,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自適應(yīng)控制[9-10]。目前在電機(jī)參數(shù)辨識(shí)中應(yīng)用較多的是輸出并聯(lián)型的自適應(yīng)系統(tǒng),其實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2　輸出并聯(lián)型MRAS原理圖

2.2基于轉(zhuǎn)子磁鏈模型的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)

將不含轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的電壓模型作為參考模型,含轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的電流模型作為可調(diào)模型,通過構(gòu)造MRAS得到轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的辨識(shí)值。

若:

(5)

則有:

(6)

式中,e為電壓模型和電流模型的轉(zhuǎn)子之間的誤差。

利用Popov超穩(wěn)定性理論,設(shè)計(jì)自適應(yīng)律為比例積分結(jié)構(gòu)形式,可以得到轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)倒數(shù)的辨識(shí)規(guī)律為

(7)

加入轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)算法的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)原理如圖3所示。轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)模塊的輸入量為定子在α、β軸上的電壓、電流和轉(zhuǎn)速值,將其應(yīng)用于MRAS系統(tǒng)中,便能獲得轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)倒數(shù)的準(zhǔn)確值。將所得辨識(shí)值輸入轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模塊,就能得到準(zhǔn)確的磁鏈觀測(cè)值,系統(tǒng)可自動(dòng)在線調(diào)節(jié)磁鏈觀測(cè)所需的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)值,提高了系統(tǒng)的魯棒性。

圖3　具有轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)的矢量控制系統(tǒng)原理圖

3　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

3.1變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

圖4為變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖,三相交流電經(jīng)過不可控整流電路輸出直流電壓,經(jīng)濾波后作為智能功率模塊(IPM)逆變電路的直流電源,構(gòu)成交—直—交主電路。以DSP2812芯片為核心的運(yùn)動(dòng)控制

電路通過PCI總線與PC機(jī)進(jìn)行雙向信號(hào)傳輸。此外該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了過壓、過流保護(hù)電路,在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)封鎖PWM信號(hào)的輸出。

圖5是設(shè)計(jì)的IPM逆變電路實(shí)物圖,它包括PS21564-P芯片及其自舉電路、保護(hù)電路、隔離電路等外圍電路,具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)方便、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)。

圖4　變頻調(diào)速硬件設(shè)計(jì)原理圖

3.2PCI總線及其接口電路設(shè)計(jì)

本變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用PCI總線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)之間的通信。PCI總線的規(guī)范嚴(yán)格、協(xié)議復(fù)雜,使用專用接口芯片能使電路的設(shè)計(jì)簡潔[11]。圖6為以DSP2812為核心的運(yùn)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)圖,計(jì)算機(jī)同接口芯片PCI9052的連接通過計(jì)算機(jī)機(jī)箱專用PCI插槽來實(shí)現(xiàn)。局部總線端通過雙端口RAM和電平轉(zhuǎn)換芯片與DSP相連,雙端口RAM起數(shù)據(jù)緩沖作用；電平轉(zhuǎn)換芯片的作用是實(shí)現(xiàn)DSP與雙端口RAM輸入輸出的信號(hào)電平匹配。另外DSP通過SCSIⅡ接口和實(shí)驗(yàn)箱連接,實(shí)現(xiàn)電壓、電流、轉(zhuǎn)速等信號(hào)的傳輸,并根據(jù)控制算法輸出DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào),控制IPM內(nèi)開關(guān)管的通斷。

圖5　IPM逆變電路實(shí)物圖

圖6　基于PCI9052的DSP控制電路結(jié)構(gòu)圖

4　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

本變頻調(diào)速系統(tǒng)是為本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)所設(shè)計(jì)的開放型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在VisualC++環(huán)境下對(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)計(jì),可在該界面下實(shí)現(xiàn)選擇控制算法、修改算法參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)波形等操作。同時(shí),學(xué)生可通過C語言自行編寫電機(jī)控制算法,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有可操作性強(qiáng)、界面友好、適合二次開發(fā)等眾多優(yōu)點(diǎn)。

變頻調(diào)速主控軟件程序流程見圖7。系統(tǒng)在完成初始化操作并且成功打開運(yùn)動(dòng)控制卡后,將運(yùn)行電機(jī)控制算法,在電機(jī)運(yùn)行的過程中,不斷與DSP交換數(shù)據(jù),調(diào)用Matlab繪圖程序；電機(jī)停止指令發(fā)出后,先降低電機(jī)控制的優(yōu)先級(jí),再退出控制軟件。圖8為上文所述基于MRAS的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)算法流程圖。

圖7　變頻調(diào)速主控軟件程序流程圖

圖8　基于MRAS的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)算法流程圖

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1基于Matlab的控制系統(tǒng)仿真與結(jié)果

在Matlab/Simulink平臺(tái)下搭建具有轉(zhuǎn)子時(shí)間常

數(shù)辨識(shí)的磁場定向控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。圖9是該系統(tǒng)空載啟動(dòng)時(shí)的波形,仿真參數(shù)設(shè)定：給定轉(zhuǎn)速n=157rad/s,電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)為0.193 6s。從仿真波形中可以看出,基于MRAS的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)方法啟動(dòng)響應(yīng)較快,在約0.13s后穩(wěn)定運(yùn)行,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行效果良好,能比較準(zhǔn)確的辨識(shí)出轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)值,理論上具有可行性。

5.2實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)為鼠籠式異步電機(jī),其額定參數(shù)如下:額定功率PN=100W,額定電壓UN=220V,額定電流IN=0.48A,額定轉(zhuǎn)速nN=1 420r/min。

5.2.1動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

首先修改程序中用于計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈角度的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)為正常值的2倍,并對(duì)未加入轉(zhuǎn)子時(shí)間參數(shù)辨識(shí)算法與具有轉(zhuǎn)子參數(shù)時(shí)間辨識(shí)算法控制系統(tǒng)分別進(jìn)行50Hz下的空載啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。通過上位機(jī)界面分別觀察兩種算法下的電機(jī)轉(zhuǎn)速、磁鏈和三相電流波形,結(jié)果見圖10—圖12。圖12中藍(lán)線為A相信號(hào)，紅線為B相信號(hào)，綠線為C相信號(hào)。

圖9　具有轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)在線辨識(shí)的磁場定向控制空載啟動(dòng)波形

圖10　加入轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)前后啟動(dòng)轉(zhuǎn)速波形

圖11　加入轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)前后磁鏈波形

圖12　加入轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)前后三相電流波形

通過上述實(shí)驗(yàn)波形可知:經(jīng)過調(diào)整轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)達(dá)到準(zhǔn)確值后,電機(jī)的運(yùn)行特性明顯改善。轉(zhuǎn)速脈動(dòng)減小,磁鏈軌跡也更加接近圓形,電流波形幅值變小,更接近正弦波。說明該方法能夠改善由于轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)變化造成的系統(tǒng)性能惡化。

其次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)速實(shí)驗(yàn)。升速與降速實(shí)驗(yàn)得到的轉(zhuǎn)速波形分別見圖13和圖14。

圖13　30～50 Hz升速實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速波形

圖14　50～30 Hz 降速實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速波形

從實(shí)驗(yàn)波形可以看出,系統(tǒng)電機(jī)在變速過程中能夠較快地跟蹤轉(zhuǎn)速,動(dòng)態(tài)性能良好,但是電機(jī)在較低頻率時(shí)的轉(zhuǎn)速波形存在較大的波動(dòng),基于MRAS的辨識(shí)方法在低速時(shí)效果不夠理想。

5.2.2靜態(tài)性能測(cè)試

在不同頻率下,改變電機(jī)所帶的負(fù)載電阻RL進(jìn)行電機(jī)實(shí)時(shí)變載實(shí)驗(yàn),對(duì)其靜態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試,得到電機(jī)機(jī)械特性曲線見圖15，圖TL為輸出轉(zhuǎn)矩。

圖15　機(jī)械特性測(cè)試曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)械特性平滑且較硬,具有較好的靜態(tài)特性。

6　結(jié)論

本文對(duì)基于磁場定向矢量控制的變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行研究,在原有控制算法中加入基于MRAS的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)算法,消除轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)造成的影響,進(jìn)而提高控制系統(tǒng)的魯棒性。在理論和仿真分析后,對(duì)改進(jìn)的開放型變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加入該辨識(shí)算法后實(shí)驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、靜態(tài)穩(wěn)定性能提高。

References)

[1]BlaschkeF.Theprincipleoffieldorientationasappliedtothenewtransvectorclosedloopcontrolsystemforrotatingfieldmachines[J].Siemensreview,1972,34(5):217-220.

[2] 張捍東,李冀平. 變頻器控制方式的比較研究[J]. 自動(dòng)化與儀表,2004,19(3):81-85.

[3] 湯夢(mèng)陽. 異步電機(jī)矢量控制與參數(shù)辨識(shí)研究[D].重慶：重慶大學(xué),2014.

[4] 李建軍,盛潔波,王翠,等. 異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子參數(shù)的辨識(shí)方法研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2006,21(1):70-74.

[5] 阮毅,陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng):運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010: 145-146.

[6] 徐小品,楊家強(qiáng),黃進(jìn). 基于SVPWM的電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)電工程,2004,21(1):34-38.

[7]SeoJH,ChoiCH,HyunDS.ANewSimplifiedSpace-vectorPWMMethodforThree-levelInverters[J].IEEETransonPowerElectronics,2001,16(4):545-550.

[8] 劉和平,湯夢(mèng)陽,劉慶,等. 基于定子磁鏈模型的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2014(1):56-61.

[9] 喻壽益,張艷存,高金生,等. 基于無功功率模型的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2009,40(5):1318-1322.

[10]ElMehdiC,AhmedM,AbdelkaderM,etal.SensorlessDirectTorqueControlofInductionMachinewithMRASSpeedEstimator[J].ComputerScienceandEngineering,2013,3(1):8-13.

[11] 鄭健,王立強(qiáng). 用PCI9052制作PCI接口卡[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2002,22(4):348-350.

Developmentofavariablefrequencyspeedregulationexperimentalplatformwithrotortimeconstantidentification

SunTiecheng,LiuLu,SunHang,ShenHongwei,NarenTuya

(DepartmentofElectricalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Takingthevoltagemodelandcurrentmodelforrotorfluxobservationasthereferencemodelandadjustablemodelrespectively,thisarticleputsforwardamethodforrotortimeconstantidentificationbasedonMRASmodel,inwhichtheidentificationvalueofrotortimeconstantobtainedbytheadaptivemechanismtendedtotheactualvalue,andanexperimentalplatformbasedonfield-orientedvectorcontrolwithrotortimeconstantidentificationwasproposed.Thehardwareofthisexperimentalplatformusedtheintelligentpowermodel(IPM)DC-ACcircuitandtheDSPcircuitofmotioncontrolwithPCIbusasitscore.Thehuman-computerinteractioninterfaceandoptimizationalgorithmwasdesignedunderVisualC++environment.Theexperimentalresultsshowthattheproposedmethodcanreducetheimpactofrotortimeconstantchangesandimprovethedynamicandstaticcharacteristicsofthesystemeffectively.

variablefrequencyspeedregulation；experimentalplatform;field-orientedvectorcontrol；MRAS；rotortimeconstantidentification

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.019

2016-01-27修改日期：2016-03-14

2012年黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“電氣工程專業(yè)的實(shí)踐性教學(xué)改革研究與實(shí)踐”(JG2012010171)

孫鐵成(1952—)，男，吉林榆樹，教授，主要從事電力電子技術(shù)和應(yīng)用及電力傳動(dòng)控制技術(shù)等方面的教學(xué)及科研工作.

E-mail：stceeacl@hit.edu.cn

TM301.2

A

1002-4956(2016)7-0075-07