基于MRAS磁鏈觀測_轉(zhuǎn)速估計的無速度傳感器異步電機矢量控制系統(tǒng)

1、 引言自1971年F.Blaschke 提出矢量控制技術(shù)以來,使得交流電機的動態(tài)性能得到了顯著提高。另外由于無速度傳感器的矢量控制能減少成本、增加魯棒性,近年來也成為研究熱點。但矢量控制系統(tǒng)在對電機磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速估計時,由于電機參數(shù)變化導致估計結(jié)果不準確,其中,磁鏈的觀測是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)速估計不僅影響磁鏈的準確觀測,而且會影響到速度反饋控制的精確度1。基于MRAS (ModelReference Adopt System 磁鏈觀測、轉(zhuǎn)速估計的異步電機矢量控制系統(tǒng)在省卻速度傳感器的同時,能夠快速準確地對磁鏈和轉(zhuǎn)速進行檢測,使傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng)大大提升了系統(tǒng)性能。1基于MRAS 的轉(zhuǎn)速估計

2、1992年,Schauder 首次將MRAS 引入電機轉(zhuǎn)速辨識中2。在坐標系下,將不含轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子磁鏈UI 模型作為參考模型、含有轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子磁鏈IN 模型作為可調(diào)模型,用兩模型之間的狀態(tài)誤差產(chǎn)生合適的自適應律,使可調(diào)模型中的需辨識參數(shù)逼近參考模型的真值。用Popov 超穩(wěn)定理論可推導出轉(zhuǎn)速和電機參數(shù)辨識的自適應律,并用Lyapunov 穩(wěn)定性理論可證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1.1轉(zhuǎn)速估計的MRAS 結(jié)構(gòu)在坐標系下,作為參考模型的UI 模型如式(1,作為可調(diào)模型的IN 模型如式(21-6。式(2中,需辨識的轉(zhuǎn)速以r*表示,另外轉(zhuǎn)子時間常數(shù)r 隨溫升和磁飽和變化較大,以r*表示,并令Tr *=1/r*。式(

3、1和式(2可分別重寫為:基于MRAS 磁鏈觀測、轉(zhuǎn)速估計的無速度傳感器異步電機矢量控制系統(tǒng)Vector Control System for Speed-Sensorless Asynchronous Motor Based on MRAS Flux observation and Speed Estimation汪柏洋Wang Baiyang(長春理工大學電子信息工程學院,吉林長春130022(Institute of Electronics and Information Engineering,Changchun University of Science and Technology,

4、Jilin Changchun 130022摘要:針對傳統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)磁鏈觀測不準,且需要速度傳感器的問題,提出了一種基于MRAS 磁鏈觀測、轉(zhuǎn)速估計的無速度傳感器異步電機矢量控制系統(tǒng)。介紹了磁鏈觀測、轉(zhuǎn)速估計的MRAS 結(jié)構(gòu),并運用Popov 超穩(wěn)定理論推導出了其對應自適應律,建立了實驗系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明,該矢量控制系統(tǒng)在啟動、調(diào)速、穩(wěn)態(tài)運行時具有良好的靜、動態(tài)性能,是一種高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:矢量控制;MRAS ;磁鏈觀測;轉(zhuǎn)速估計;異步電機中圖分類號:TM343文獻標識碼:B文章編號:1671-4792-(20103-0191-04Abstract :Aim to the pro

5、blems that the traditional vector control system's flux observation was not accu-rate and needed speed sensor,based on MRAS flux observation and speed estimation,the vector control system for speed-sensorless induction motor was proposed in this paper.The MRAS structures of flux observation and

6、speed estimation were introduced and the Popov hyperstability theory was used to deduce the corresponding adaptive laws.The the experimental simulation system was set up and the experimental results showed that the vector control system run with good static and dynamic performance at time of its sta

7、rting,speed regulating and steady-state operating and is a high-performance AC speed regulation system.Keywords :Vector Control;MRAS;Flux Observation;Speed Estimation;Asynchronous Motor (1(2基于MRAS磁鏈觀測、轉(zhuǎn)速估計的無速度傳感器異步電機矢量控制系統(tǒng)191科技廣場2010.3(3 即。 將式(3和式(4相減后得狀態(tài)誤差方程,并將其整理成標準MRAS 結(jié)構(gòu),即由線性定常正向環(huán)節(jié)和非線性時變反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成,同

8、時定義狀態(tài)廣義誤差e=r-r*,則: 即pe=A m e+Iw'=A m e-Iw 。式中:1.2轉(zhuǎn)速估計的自適應律推導根據(jù)Popov 超穩(wěn)定理論2-4,要使上述MRAS 穩(wěn)定,則要求滿足條件:線性定常正向環(huán)節(jié)為嚴格正實;非線性時變反饋環(huán)節(jié)滿足Popov 積分不等式:(6 其中:02是一有限正數(shù),且不依賴于t 1。 首先根據(jù)條件,對Popov 積分不等式進行逆向求解可得到參數(shù)自適應率。把w 和v=e 代入Popov 積分不等式得: (7其中:r*(0、Tr*(0為初始值,可根據(jù)實際情況選取初始值。現(xiàn)只推導r*的自適應律,1(0,t1-12可等價為:11(0,t 1-112,12(0,t

9、 1-122,2(0,t 1-22。對于11(0,t 1-112,可利用式:同時取:(9對不等式(8,兩邊求導可得積分式自適應律F 1(v,t,。如果不等式(8左邊的被積函數(shù)為正,則不等式滿足,因此可推出比例式自適應律F 2(v,t。F 1(v,t,和F 2(v,t分別為:(10由于e T =r -r *,r -r *T ,J=0-1;10,r*的辨識表達式最終為:(11由Popov 超穩(wěn)定理論條件,還需證明線性定常環(huán)節(jié)嚴格正實。由于系統(tǒng)A m 已知,取Q=I=E=10;01。解方程:PA m +A m T P=-Q,解得P=1/T r 0;01/T r 。由此可見:根據(jù)Lya-punov 穩(wěn)

10、定性理論第二法,存在唯一的對稱正定矩陣P 和Q,使得系統(tǒng)漸進穩(wěn)定,證明選擇自適應律式(11可使系統(tǒng)漸進穩(wěn)定3-4。另外,根據(jù)MRAS 參考模型的能控性和電機輸入信號的特征可證明,可調(diào)模型的轉(zhuǎn)速T r *和轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr*會對應收斂于參考模型的真值。2基于MRAS 的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器 在異步電機矢量控制系統(tǒng)中,磁鏈的觀測是關(guān)鍵。如果磁鏈的幅值或相位檢測不準,將直接影響系統(tǒng)的性能。電機磁鏈觀測常用的是UI 模型和IN 模型。UI 模型在中高速具有良好性能,但在低速時由于定子電阻變化和純積分環(huán)節(jié)的影響導致性能較差。IN 模型在高低速都有較好的精度,但是受電機參數(shù)變化影響很大?；贛RAS 的轉(zhuǎn)子磁鏈

11、觀測器幾乎不需要電機的任何先驗知識,持續(xù)激勵時能在高低速對電動機的參數(shù)進行準確辨識,可以快速、準確、自適應地觀測轉(zhuǎn)子磁鏈。2.1轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的MRAS 結(jié)構(gòu)(4(5(8192 (b實際轉(zhuǎn)速鼠籠式異步電機在坐標系下的狀態(tài)方程如式(125,它可作為MRAS轉(zhuǎn)子磁鏈觀測的參考模型。其中:(13式(13中,h1,h2,h3,h4,h5,h6為相關(guān)電機參數(shù),其中h1就涉及定子電阻Rs。定子電阻隨溫度變化較大,這里把它作為待辨識參數(shù),記為Rs*。根據(jù)狀態(tài)觀測器理論,異步電機的全維狀態(tài)觀測器方程5-6,即MRAS轉(zhuǎn)子磁鏈觀測的可調(diào)模型為式(14。其中參數(shù)k的大小將影響觀測器的極點位置,通常取k=2比較合適

12、。由于上述MRAS的參考模型和可調(diào)模型包含了不可量測的轉(zhuǎn)子磁鏈信號,利用求導、代換和關(guān)系式(13,最后式(12經(jīng)過變換并整理為:(15式(15就是以輸入、輸出矢量表示的參考模型的狀態(tài)方程。根據(jù)同樣的推導過程可得可調(diào)模型的狀態(tài)方程。將這兩方程相減后即得輸出廣義誤差方程,并將其整理成標準MRAS結(jié)構(gòu)。即pe=Ame+Iw1,其中:2.2轉(zhuǎn)子磁鏈觀測的自適應律推導加上狀態(tài)變量過濾器后,參考模型和可調(diào)模型之間的狀態(tài)誤差為f,fT,那么、有了上述標準MRAS的反饋形式,根據(jù)Popov超穩(wěn)定理論就可推導出Rs*的自適應律5-6:(17另可根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性理論第二法證明MRAS的線性定常環(huán)節(jié)為嚴格

13、正實。3基于MRAS磁鏈觀測、轉(zhuǎn)速估計的矢量控制系統(tǒng)的實驗在以上分析的基礎(chǔ)上,基于MRAS磁鏈觀測、轉(zhuǎn)速估計的DSP全數(shù)字化控制的三相異步電機無速度傳感器矢量控制的實驗系統(tǒng)如圖一所示。實驗系統(tǒng)以異步電機為控制對象,以同軸直流發(fā)電機為負載。圖二是異步電機帶20%的額定負載時,按120rad/s-160rad/s-120rad/s方式調(diào)速時的實驗波形。從圖二(a和(b可以看出,穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速辨識值與實測值基本相等,動態(tài)時辨識值能夠快速跟蹤實測值的變化,表明轉(zhuǎn)速辨識準確。另外也可看出該系統(tǒng)的異步電機起動和調(diào)速性能良好。圖二(c的轉(zhuǎn)子磁鏈辨識波形接近圓形,表明電機定子電流中諧波含量較少,電機運行平穩(wěn)。(1

14、2(14圖一基于MRAS的矢量控制系統(tǒng)電路(a辨識轉(zhuǎn)速(16基于MRAS磁鏈觀測、轉(zhuǎn)速估計的無速度傳感器異步電機矢量控制系統(tǒng)193科技廣場2010.3 圖三異步電機負載突變時的實驗波形圖三為在異步機120rad/s 時,先后突加和突減一倍負載轉(zhuǎn)矩時的動態(tài)響應波形。從圖三可以看出,在負載突變時,電機轉(zhuǎn)速稍有變化,經(jīng)過很短的調(diào)節(jié)時間后,系統(tǒng)又回到穩(wěn)態(tài),同時定子電流隨負載增減而增減。實驗結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有較強的抗負載擾動能力。同時,從圖三(d 中可以看到,定子電流q 軸分量i q 隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)相應地改變,而d 軸分量i d 保持基本不變,該結(jié)果表明定子電流解耦控制的效果良好。4結(jié)束語基于MRAS

15、磁鏈觀測、轉(zhuǎn)速估計的無速度傳感器異步電機矢量控制系統(tǒng)是一種高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。MRAS 磁鏈觀測器可以快速、準確地觀測電機磁鏈。另外轉(zhuǎn)速估計在減少系統(tǒng)設(shè)備的同時,提高了系統(tǒng)的魯棒性,具有工業(yè)價值。仿真實驗結(jié)果表明該矢量控制系統(tǒng)在啟動、調(diào)速、穩(wěn)態(tài)運行時具有良好的靜、動態(tài)性能。參考文獻1馮亮,王方林.異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的滯環(huán)控制器研究J.電氣傳動,2008,(8:28-31.2陳偉,瞿文龍,陸海峰.一種基于MRAS 的異步電機速度辨識方法J.電工電能新技術(shù),2006,25(2:52-55.3M.Tsuji,S.Chen,K.Izumi,etal.ASeneorlessVector Contrl

16、System for Induction Motor usinga-axis Flux with Stator Resistance Identification J.IEEE Transaction on Industrial Electronics,Feb.2001,48(1:185-194.4KazuhiroOhyama,GregM.Asher,MarkSummer.Comparative Analysis of Experimental Performance and Stability of Sensorless Induction Motor Drives J.IEEETransactiononIndustr