基于电压电流模型转子磁链观测的无速度传感矢量控制

0.引言

随着电力电子及控制理论的发展，矢量控制在异步电动机交流调速中的应用日益广泛，相关理论也逐步成熟。异步电动机的矢量控制是按照转子磁场定向，将定子电流分解为励磁电流与转矩电流分量，从而实现磁场和转矩的解耦控制，故磁链观测是矢量控制的关键。目前磁链观测主要有电压模型、电流模型和电压电流混合模型以及在这些模型基础上的改进。

本文将采用电压电流混合模型进行磁链观测的研究，并在此基础上进行转速估算，获得一种基于电压电流模型转子磁链的模型自适应转速辨识方法，进而实现异步电动机无速度传感器的矢量控制。

1.电压模型

由以上表达式可知，电压模型的转子磁链观测本质来说为一纯积分器，它的算法中不含转子参数，所以电机参数对其影响不大，而且无需转速信号。由于纯积分环节存在直流偏量与初值问题，所以随着时间的推移观测的结果会参数较大误差。为解决这一问题，常规的做法是用低通滤波器来代替纯积分环节，但低通滤波会导致估算的定子磁链的幅值和相位存在误差，故需要进行补偿。

2. 电流模型

电流模型的转子磁链观测在整个速度范围内都可以对转子磁通进行观测，但所而且温度的变化以及集肤效应会导致转子电阻的变化范围很大，使得精确测量转子磁链变得困难。此外，电流模型的转子磁链观测还需要电机的转速信号作为输入。

3. 电压电流混合模型

4.转速辨识

转速辨识基于模型参考自适应原理，电压电流混合模型磁链观测的结果作为转子磁链的期望值，电流模型的输出作为转子磁链的推算值。采用PI控制器作为自适应机构，结构框图如图2所示。

电动机在空载情况下，给定转速1450r/min情况下启动，1s负载转矩突变为3500Nm，1.5s负载转矩又突变为2000Nm。2s时转速给定变为955r/min,3s时再将为48r/min,4.5s转速给定变为4775 r/min。仿真结果如图4所示。

图4中从上至下依次分别为定子电流、电动机转速及电机的输出转矩，在给定负载转子变化时，电动机的输出转矩迅速响应，且与负载转矩平衡。图5为电压电流混合模型观测的磁链，与给定的磁链一致，表明磁链观测准确。图6为辨识转速与测量转速的对比，其中黄色为测量转速，红色为辨识转速，下面是测量转速与辨识转速的差值，即辨识的误差。由图可知，辨识的转速误差在0.5%以下，辨识效果很好。

图3 无速度传感器的矢量控制系统仿真模型

图4  定子电流、转速、输出转矩

图5  观测的磁链

图6  辨识转速与测量转速

6 结论

本文基于电压电流混合模型磁链观测结果，进行转速辨识，用Matlab对无速度传感器的矢量控制进行仿真，结果表明，磁链观测准确，转速辨识精确，从而验证了无速度传感器矢量控制系统的正确性和可行性。