基于MRAS的无速度传感器矢量变换控制系统的设计与仿真

曾晓斌，李全



基于MRAS的无速度传感器矢量变换控制系统的设计与仿真

曾晓斌，李全

（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）

为了能精确控制和检测异步电机的转速，设计了一款无速度传感器的转速控制系统，采用矢量控制对电机转速进行控制，并且利用MRAS方法对电机转速进行推算. 本文利用Matlab/simlink构建了本系统的模型并进行仿真，仿真结果表明本文设计的转速控制系统能精确地控制并检测到电机转子的速度，并且转速对负载扰动有良好的抗干扰性.

无速度传感器；MRAS；矢量控制

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的. 目前矢量控制的研究方向主要是提高转子磁链观测的准确性和鲁棒性. 由于使用速度传感器检测转速会增加系统的复杂性和成本且在不同的温、湿度等条件下也会影响其精确性[1]，为了避免使用速度传感器带来的问题，本文采用模型参考自适应系统Model Reference Adaptive System（MRAS）方法辨识电机转速. 目前广泛应用的无速度传感器模块主要分为以下4类：感应电动势计算法、转子磁链角速度计算法、定子电流转矩分量误差补偿法和MRAS法. 前两者推算的转速容易受干扰影响，定子电流转矩分量误差补偿法的动态转速准确性较差，而MRAS法则能实时跟踪电机转速变化.

1 矢量控制系统

由于异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，要想在动态中准确地控制异步电动机的电磁转矩是比较困难的. 矢量控制的目的是通过矢量坐标变换，把交流电机的物理模型等效为他励直流电机的模型，将交流电机的转矩控制转换成为直流电机的转矩控制[2].

图1 三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图

2 转子转速推算

MRAS基本思想是选取转子磁链的电压方程作为参考模型、电流方程作为可调模型分别计算转子磁链，将两个模型输出的转子磁链进行对比，最后通过PI控制器估算得出转子转速[5].

2.1 电流模型法

注：图中表示两系数相乘的关系

2.2 电压模型法

图3 转子磁链电压模型

3 仿真实验

为了验证推算电机转速的准确性，采用Matlab中的simulink工具箱搭建系统模型，并进行仿真，仿真的系统模型如图4所示，图5为根据MRAS方法搭建的转速推算模块. 系统主要包括交流电机、逆变器、PWM生成模块、转速推算模块和3个PI调节器.

图4 转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型

图5 转速推算模块

图6 定子A相电流

图7 电磁转矩

图8 转子磁链幅值

图9 转子磁链轨迹

图10 转子估算转速

图11 转子检测转速

比较图10、图11，电机在启动过程中两组转速都平缓上升，转速到达给定转速后，估算转速有小幅度的波动，检测转速则相对平缓，两者相差很小. 电机0.6 s加载后，转子检测转速略有下降后能保持稳定；估算转速出现波动，此时通过调节PI控制器的比例、积分环节可以尽可能地减少波动. 可见，本系统采用MRAS法搭建的转速估算模型估算到的转速符合工程需求.

4 结束语

本文设计的基于转子磁链定向的矢量控制方法，采用转速、电流的双闭环控制，不仅具有良好的动、静态性能，而且能减少负载波动对电机转速的影响，具有强鲁棒性. 调速控制系统仿真结果表明电机转速、转矩对负载扰动有良好的响应，并且MRAS方法估测的转子转速与实际转速相差较少，说明本系统在无速度传感器下能实现转速估测，可以广泛应用在工程实践中. 但是推算的转速达到额定转速后有小幅度的波动，与实际转速有一定差异，并且电机在低速运行时波动更严重. 后续的工作将是寻找更优的转速估计方法提高转速估测的精度，进一步提高系统的动态性能.

[1] 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB仿真[M]. 北京：中国电力出版社，2007.

[2] 张兴华. 基于Simulink/PSB的异步电机变频调速系统的建模与仿真[J]. 系统仿真学报，2005, 17(9): 2099- 2103.

[3] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[4] 刘俊，庄圣贤. 三相异步电机矢量控制的研究[J]. 电气开关，2010(2): 26-30.

[5] 冯垛生，曾岳南. 无速度传感器矢量控制原理与实践[M]. 北京：机械工业出版社，1997.

[6] 张月芹，薛重德，张志林，等. 基于MRAS的异步电动机无速度传感器矢量控制系统[J]. 农业装备与车辆工程，2007(8): 20-23.

[责任编辑：韦 韬]

Design and Simulation of Speed Sensorless Vector Control System Based on MRAS

ZENGXiao-bin, LIQuan

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In order to control and detect the speed of asynchronous motors, a control system is designed. Vector control is used for control of speed, and an MRAS method is used for calculating the rotation rate of the motor. Finally, a simulation model is established under MATLAB/Simulink. The simulation results show that the speed control system can accurately control and detect the rotor speed and the speed has good resistance to load disturbance.

speed sensorless; MRAS; vector control

1006-7302（2013）04-0057-05

TM343

A

2013-07-11

曾晓斌（1986—），男，广东江门人，在读硕士生，研究方向为电机拖动与控制；李全，副教授，硕士生导师，研究方向为电气工程及自动控制.