基于高频信号注入双馈电机无传感器控制技术

邓先明， 陈 剑, 方荣惠， 于子捷

(中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116)



基于高频信号注入双馈电机无传感器控制技术

邓先明， 陈 剑, 方荣惠， 于子捷

(中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116)

针对控制系统中机械传感器存在的安装困难、易发生故障等一系列的问题，提出基于高频信号注入的无传感器检测法。分析了双馈电机使用高频注入法检测转子转速及位置的原理，即通过在双馈电机的转子侧注入高频信号，并提取在定子侧感应出的高频信号，经过锁相环检测算法，计算得出转子的位置及转速信号。建立了基于高频注入的双馈电机矢量控制模型，通过仿真和样机实验验证了双馈电机高频信号注入无传感器控制技术的可行性，为双馈电机的无传感器控制技术的实际应用奠定了良好的理论基础。

双馈电机； 矢量控制； 无传感器控制； 高频信号注入； 锁相环检测算法

0 引 言

世界能源危机的背景下，由于双馈电机调速系统具有可变速恒频运行、有功无功率可独立调节以及所需变频器容量小等优点[1]，在各个领域得到大力发展，尤其是在风能发电领域。目前，在双馈电机的控制过程中，都是使用机械传感器去检测转子的位置和转速，由于机械传感器存在电缆连接困难、安装复杂、易发生故障等缺点[2]，导致检测系统检测出的位置和转速的可靠性不高。因此，不少学者提出使用无传感控制技术去取代机械传感器，国内外都对此进行了研究，并取得了一定的成果。但目前绝大部分研究都是针对同步电机的[3-5]，针对双馈电机的却很少。将无传感器技术用于双馈电机将简化控制系统，提高系统的控制精度和可靠性，具有很好的研究价值。本文将重点研究基于高频信号注入法的双馈电机无传感器控制。

1 双馈电机的矢量控制技术

1.1 双馈电机矢量控制分析

异步电动机构成双馈电动机，因此可按照分析异步电动机的方式分析双馈电机。双馈电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。本文采用定子磁链定向的矢量控制[6]方式，对双馈电机进行控制。

图1是双馈电机定子磁链定向的空间向量图，将定子磁链ψs定向于dq坐标系的d轴上，则有ψqs=0,ψds=ψs。设ω1为同步角速度，ωr为转子角速度，转差角速度ωs=ω1-ωr，结合dq同步坐标系下双馈电机数学模型[7]，可以得到双馈电机基于定子磁链定向的矢量控制方程如下。

(1) 电压方程。

(1)

式中：Ls为定子自感;uds、uqs为定子dq轴电压;rs为定子电阻;Lm为互感;idr、iqr为转子dq轴电流。

(2)

式中：Lr为转子自感;udr、uqr为转子dq轴电压;rr为转子电阻;p为微分算子。

(2) 转矩方程。

(3)

式中:np为极对数;Tem为电磁转矩。

图1 定子磁链定向空间向量图

(4)

其中：

图2 双馈电机控制原理图

1.2 仿真分析

1.2.1 仿真模型

在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型，如图3所示。双馈电机参数如下：额定功率为30 kW；定子额定电压380 V；极对数为2；定子绕组电阻为3.2 Ω；转子等效电阻2.9 Ω；定子漏感14.3 mH；转子漏感14.3 mH；互感265.4 mH。

图3 双馈电机调速系统仿真模块

1.2.2 仿真结果

(1) 转速改变仿真分析。转矩保持80 N·m，转速初始值为1 200 r/min，在1 s的时候变为1 400 r/min。仿真波形见图4。由图4(a)可见，当转速发生变化时系统能够快速的跟随。

由图4(b)可见，在速度突变过程中，电磁转矩有变化，但又能迅速回到给定的负载转矩。

(a) 转速

(b) 转矩

图4 转速改变时仿真波形

(2) 转矩改变仿真分析。转速为1 200 r/min保持不变，给定转矩初始值为60 N·m，在1 s的时候突变为100 N·m。仿真结果如图5所示。

(a) 转矩

(b) 转速

图5 转矩改变时仿真波形

由图5(a)可以看出，在负载转矩突变过程中，电磁转矩能够很快跟随给定。图5(b)表明，转矩的变化对电机速度影响不大，转速基本上没有发生变化，说明系统的抗干扰性很强。

综上所述，双馈电机调速系统具有很好的动态和静态性能。

2 双馈电机的无传感器检测技术

2.1 检测原理分析

用高频信号注入法检测位置是根据旋转变压器的原理[8-9]提出的，就是通过在转子侧注入高频信号再在另一侧检测出高频信号所感应出的电动势或电流，通过一定的算法[10-11]就可以提取出感应电压或电流中所包含的位置角及转速信息。具体原理如图6所示。

图6 双馈电机转子位置测量原理图

在转子Ur相绕组中注入频率为ωH、有效值UrH的高频励磁信号，在Ur轴方向产生高频脉振磁场φrH=φmsinωHt，随着转子角度θ的变化，在定转子的绕组感应电势分别为[12]：

(5)

式中:Nr是转子绕组的等效匝数;Ns是定子相绕组等效匝数，两者之比匝比k=Ns/Nr。忽略绕组漏阻抗，可得定转子绕组的高频感应电压有效值为：

(6)

由式(6)可得出定子U相高频电压和VW高频线电压分别为：

(7)

因此可以得到转子的角度估计值：

(8)

对转子的角度θ求导可得转子的机械速度nr，np为极对数：

(9)

本文采用基于锁相环[13-14]的无传感器的位置及转速检测如图7所示。转子侧注入高频电压信号Vsinωt，感应的电势经坐标变化和解调后，得到Vs,Vc，经过做差比较，得到(sinθcosφ-cosθsinφ)即sin(θ-φ)，当sin(θ-φ)趋于零时，φ=θ，也就实现了位置角的锁相。

图7 基于锁相环的转子位置角和转速观测

2.2 仿真分析

2.2.1 仿真模型

锁相环算法的位置及转速检测如图8所示。

2.2.2 仿真结果

仿真过程中，选用的高频电压信号幅值为10 V，频率为1.0 kHz。给定转速为1 200 r/min,负载转矩为50 N·m。

由图9的仿真结果可知，通过将高频信号注入检测的转子位置和转速与传感器检测的位置和转速信息进行比较，高频信号注入法检测的位置和转速可以很好的跟踪实际位置和转速。因此，可将高频注入法检测的转子位置和转速反馈回矢量控制系统。仿真如下：

(1) 转速改变转矩不变仿真分析。仿真步骤为，电机在有传感器的状况下运行1 s，1 s后用高频注入估算的位置和转速替换实际位置和转速，1.1 s时将给定转速由1 200 r/min变为800 r/min，转矩50 N·m保持不变，仿真结果见图10。

图8 基于锁相环算法的位置与转速检测

由图10仿真结果可知，无传感器控制过程中，给定转速变化时，实际转速能很好地跟踪给定的变化，转矩也能很快恢复稳定。

(2) 转矩变化转速不变仿真分析。电机在实际位置下运行1 s，1 s后用估计位置及转速代替实际位置和转速，1.1 s时转矩由50 N·m变为80 N·m直到最后。仿真结果见图11。

由图11的仿真结果可知，无传感器控制过程中，给定转矩变化时，转矩能很好地跟随，对转速的影响很小。

因此，基于高频注入的无传感器位置及转速检测完全可替换传感器检测的位置和转速，并反馈回矢量控制系统，双馈调速系统依然有很好的动静态性能。

(a) 锁相环估计位置与实际位置

(b) 锁相环估计转速与实际转速

(c) 解调后的包络线

图9 基于高频注入的位置及转速检测

(a) 实际转速

(b) 估计转速

(c) 转矩

图10 无传感器情况下转速变化时仿真波形

(a) 转矩

(b) 实际转速

(c) 估计转速

图11 无传感器情况下转速变化时仿真波形

3 基于高频注入无传感器检测方法的实验分析

3.1 实验方案设计

为了验证双馈电机转子加高频信号测量转子位置和转速的部分原理，在实验室搭建了实验平台[15]。

(1) 实验设备。绕线异步电机、他励直流电动机、中频电源、示波器、高精度电流电压表、转速表、刻度盘等。

(2) 实验线路。转子U相加中频励磁，实验中将转子绕组U相尾端和定子绕组的尾端连接，实验过程线路如图12所示。

(3) 实验步骤。转子中所加中频励磁电压为50 V，首先手转动转子，测量转子U相首端与定子U相首端的电压，观察电压变化，调到其输出为最小的位置，由差极性原理[16]，设该位置为转子转角θ为零的位置(即N极(d轴)与U相轴线对齐)，在转子上标记该位置。记录UVW三相输出电压和转角。从θ=0开始，改变转角大小，记录如下数据：① 用电压表记录UVW三相相电压、三相间线电压和转角关系；② 用电压表记录转子正极与定子三相首端的电压和转角关系。

图12 双馈电机实验接线图

3.2 实验结果分析

将记录的数据进行处理，代入计算公式，得到转子位置的估计值，并与实际位置进行比较。将比较后的数据利用Matlab数据处理能力进行拟合，处理后的数据如图13所示。

实验表明，高频信号注入法可以很好地检测双馈电机转子位置，即用高频信号注入法替换机械传感器用于双馈电机调速完全可行。

图13 转子位置的实际值与检测值

4 结 语

本文首先对双馈电机矢量控制进行了分析和仿真。结果表明,双馈电机调速具有很好的动静态性能。接着，分析仿真了基于高频注入法的无传感器位置和转速检测，并将高频注入法检测的速度和位置反馈回控制系统。结果表明，基于高频信号注入法的无传感器位置和转速检测，能很好的跟踪实际位置和转速，同时，基于高频注入法的双馈电机无传感器控制具有很好的动、静态性能，因此，高频信号注入法完全可替换机械传感器来检测转速和位置信息，并反馈回调速系统。最后，搭建实验平台，通过实验，验证了用高频注入法替换机械传感器检测转子位置完全可行。

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Sensorless Control of Double-fed Motor Based on High-frequency Signal Injection

DENGXian-ming,CHENJian,FANGRong-hui,YUZi-jie

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116, China)

The real-time signals of position and speed are required to control the closed-loop by vector control system of double-fed motor. Since the speed and position detection with sensor exists some problems such as difficulty of installation and easily failures, the sensorless detection based on high frequency signal injection was proposed. The principle of detecting the rotor position and speed of double-fed motor with high frequency signal injection was analyzed. It means the high frequency signal is injected into the rotor of the motor, the induced high frequency signal is extracted from the stator, and the signals of position and speed are calculated by the algorithm of phase-locked loop (PLL). The vector control model of double-fed motor based on this kind of sensorless control method is established. The feasibility of the double-fed motor position detection with high-frequency signal injection is verified by simulation and prototype experiment, hence it lays a good theoretical basis for the practical application of double-fed motor sensorless control technology.

double-fed motor; vector control; sensorless control; high frequency signal injection; phase-locked loop

2014-01-17

邓先明(1970-)，男，四川大英人，博士，教授，从事电机与拖动方面的教学与科研工作。

Tel.:0516-83884395;E-mail: xmdeng3883023@hotmail.com

TM 343+.4；G 642.0

A

1006-7167(2015)01-0067-06