感应电动机无速度传感器矢量控制优化算法

江金鱼，黄 磊，杨春杰

(湖北理工学院，黄石 435003)

感应电动机无速度传感器矢量控制优化算法

江金鱼，黄 磊，杨春杰

(湖北理工学院，黄石 435003)

电动汽车无速度传感器矢量控制需要估计电机转速，利用电压模型估计转速用到的电机参数少，算法简单，但由于纯积分环节的存在，会导致积分输出漂移和饱和。常规的抑制办法是采用滤波器，但会带来较大的幅值与相位误差，影响速度观测精度甚至导致系统失稳。为了解决因纯积分导致的问题，提出了一种改进的电压模型转速估计算法，该算法不含滤波器，而是利用定子侧反电势获得同步转速进而估算电机转速，避开了电机电流的微分运算以免放大检测噪声，不需要预测下一拍电流，算法简单有效，易于实现。最后实验验证了所提方法的正确性和有效性。

感应电动机；电压模型；转速估计；矢量控制

0 引 言

基于能源与环境问题的考虑，电动汽车逐渐成为当前的研究热点。感应电动机因其结构简单、可靠性高、价格低廉及易维护等优点在电动汽车领域获得了广泛应用[1-2]。

感应电动机矢量控制通常需要在电机上安装速度传感器检测转速，这会提高成本，增加系统的尺寸和复杂度，并使系统的可靠性降低，而采用无速度传感器技术，即利用检测电机的其它变量来观测(估计)电机的转速以替代转速传感器将是一种不错的解决方案。速度估计方法主要有状态观测器法、模型参考自适应法、电机电压或电流模型法等。前两类方法比较复杂,难以实际应用，而电压模型法算法简单，涉及到的电机参数少，但由于算法中含有纯积分运算，积分初值和积分零漂会导致积分输出漂移和饱和现象，影响速度观测精度甚至导致系统失稳。解决的方法有低通滤波器法、低通加高通滤波器法、闭环反馈法等，但会带来相位及幅值误差[3-5]。文献[6]给出了一种基于转子反电动势的同步转速估计方法，能够有效抑制积分漂移和饱和，但是需要用到电机总漏感和电机电流的微分项，前者的误差会影响估算同步转速的准确性，后者受电流的采样误差影响甚至会放大电流采样噪声;同时，在数字化实现微分时需要估计下一拍的电流值带来进一步的误差。本文在此基础上，提出了一种改进的方案，利用定子侧反电动势估计同步转速，基于间接矢量控制获得转差速度进而估计出电机实际转速。同步转速估计不需要用到电感和总漏感，也不需要计算电流的微分。所提方法简单有效，易于实际应用，可用于电动汽车的感应电动机驱动系统，以满足高功率密度、高可靠性和高性能的要求。

1 新型无速度传感器矢量控制系统

1.1 新型速度估计算法

同步旋转参考坐标系下电机电压方程：

(1)

式中:usd,usq,isd,isq,ψsd,ψsq分别为旋转坐标系下定子电压、定子电流和定子磁链。

当参考坐标系指向定子磁链时，则ψsq=0，pψsq=0，式(1)可化为：

(2)

式中:esd,esq为定子侧反电动势。

由式(2)可得同步转速：

(3)

则电机转速的估计值可由如下公式获得：

(4)

由式(3)和式(4)，新型速度估计算法如图1所示。注意：式(1)～式(3)中的电压、电流和磁链的d,q分量是在定子磁链定向旋转坐标系下计算的，仅用于电机转速的估计；下文中的间接矢量控制系统中的电压、电流d,q分量在转子磁链定向坐标系下计算。

图1 新型速度估计算法原理图

由式(2)～式(4)及图1可知，新型速度估计算法与传统转速估计方法[3,6]不同，所提算法典型特征是不需要滤波器，分别在定子磁场定向坐标系和转子磁场定向坐标系估算同步转速及电机转速。这样做的好处：一是同步转速的估计仅受定子电阻影响；二是不需要电流微分及预测下一拍。即在定子磁链定向旋转坐标系计算定子反电动势以获得准确的同步转速，再利用转子磁场定向坐标系估算出电机转速，降低电机参数对转速观测的影响。

1.2 无速度传感器矢量控制系统

根据定、转子磁链关系：

(5)

可得转子磁链定向角度：

(6)

式中:θe为转子磁链与定子磁链的夹角。

根据式(3)、式(4)和式(6)，即可构建电流内环加转速外环的间接矢量控制系统，其中电机转速是估计值而非检测值。该无速度传感器矢量控制系统框图如图2所示。

图2 无速度传感器矢量控制系统框图

1.3 速度估计误差分析

由式(3)和式(4)可以看出，速度估计算法受转子时间常数、定子电阻影响，还受电机端电压影响，通常用电压指令值代替实际检测值，因此要考虑逆变器死区效应和数字PWM延时的影响。对于死区和延时的影响，在后面的实验中进行了补偿。转子时间常数的变化虽然也影响转速估算的精确度，但由于其只影响转差频率，其值比较小，引起的转速误差也较小。由式(3)知，定子电阻影响同步转速的估算，速度越低时影响越大，甚至失去稳定。一种办法是在极低速区段，采用转速开环工作模式[6]，简单实用，实现成本与效益的平衡。

2 实验结果

为验证所提无速度传感器矢量控制方案的有效性，搭建了3kW样机进行了实验验证，实验样机如图3所示。基于数字信号处理器控制三相电压源型逆变器驱动三相感应电动机，感应电动机与

图3 实验装置图 一台直流发电机同轴，直流发电机接电阻作为感应电动机的负载，实际转速信号由光电编码器获得。相应的主电路参数、感应电动机和控制器参数如表1所示。

实验过程如下：先由电机空载起动加速到额定转速，然后在5 s时突加负载，稳定运行4 s后再去掉负载，考察转速估计算法和无速度传感器矢量控制的性能。

表1 实验参数

图4(a)给出了空载起动的转速估计，电机空载起动然后加速到额定转速950 r/min。由图4(a)可见，估计转速能很好地跟踪实际转速。

图4(b)、图4(c)给出了负载突变时的转速估计和电机d,q轴电流的波形。在5 s时由空载突加80%额定负载，在9 s时去掉负载。由图4可见，估计转速能较好地跟踪实际转速，有一定的动态误差，但是由电机电流波形可以看出，d,q轴无耦合，动态性能良好。

(a) 空载起动转速波形

(b)负载突变转速波形(c)负载突变d，q轴电流

图4 实验结果

实验结果说明，在稳态和动态过程中，估计转速都能很好地跟踪实际转速，实现无速度传感器矢量控制。

3 结 语

本文提出了一种用于电动汽车的感应电机无速度传感器矢量控制的简化算法，算法根据电机电压模型，利用定子侧反电势获得同步转速进而估算电机转速，避开了电机电流的微分运算以免放大检测噪声，不需要预测下一拍电流。分析与实验结果表明，不含滤波器但纯积分环节的漂移和饱和仍被有效抑制，在稳态和动态过程中，都能实现很好地转速估计，无速度传感器矢量控制工作良好。同时，该算法简单易于实现，应用于电动汽车会大大降低系统成本。

[1] 刘和平，谭天诚，郭强.一种电动汽车用异步电机控制策略[J].电力电子技术，2013,47(9)：72-74.

[2] 王晓远，高 鹏，赵玉双.电动汽车用高功率密度电机关键技术[J].电工技术学报，2015,30(6)：53-59.

[3] 朱绯，卢子广，胡立坤，等.采用自适应滑模速度观测器电动汽车驱动控制[J].电力电子技术，2015,49(1)：57-59.

[4] 朱晓荣.电动车交流异步电机无速度传感器矢量控制系统[D].天津：天津大学，2009.

[5] SHIN M H,HYUN D S,CHO S B,et al.An Improved Stator Flux Estimation for Speed Sensorless Stator Flux Orientation Control of Induxtion Motors[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2000,15(2):312-318.

[6] 马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统[M].北京：机械工业出版社，2010.

A Simplified Speed Sensorless Vector Control Method of Induction Motor for Electric Vehicles

JIANGJin-yu,HUANGLei,YANGChun-jie

(Hubei Polytechnic Universiy,Huangshi 435003,China)

In the speed sensorless vector control of induction motor for electric vehicles, a speed estimator is very important. Conventional voltage model-based method is simple, but there are errors in this method caused by the DC drift and initial value problems of the pure integration. When the low-pass filter is adopted to overcome this problem, amplitude and phase errors are introduced and this will degrade the accuracy of the speed estimation. To overcome this pure integration problem, a modified voltage model-based method without low-pass filter was proposed in this paper. The speed estimation was based on the back EMF of stator winding with no need of differential operation of the stator currents, which may cause noise amplification. The proposed method is simple, effective and easy to implementation. Experimental results verify its feasibility.

induction motor; voltage model; speed estimator; vector control

2015-09-30

湖北省自然科学基金项目(2014CFB177)

TM346

A

1004-7018(2016)05-0075-02