浅谈交流电机无速度传感器控制策略

吴宏宇 吴兴宇 史运涛

摘 要：目前，随着工业自动化的不断发展，交流电机将会被广泛使用。同时由于无速度传感器技术具有低成本与高可靠性等优点，所以发展交流电机无速度传感器技术，对于提高科技生产力以及工业自动化具有极其重要的意义。本文将简要介绍高性能无速度传感器交流电机控制策略，一种是异步电机与速度自适应全阶观测器相结合，另一种永磁同步电机与滑模观测器相结合的控制方法，旨在进一步促进高性能无速度传感器交流电机控制策略的发展。

关键词：交流电机；无速度传感器；全阶观测器；滑模观测器

随着电力电子技术、微电子技术、现代电机控制理论的迅速发展，交流电机获得快速的推广与应用[ 1 ]。目前，在高性能交流电机控制领域中矢量控制[ 2 ]已经被广泛应用。在实际应用中，为了进一步提高交流电机在不同环境下运行的可靠性，交流电机无速度传感器控制技术被提出。无速度传感器控制方法主要分为两大类，一种为外部信号注入，这种方法只适应于极低速的工况运行，同时额外的信号注入会带来高损耗、噪声等问题。另一种为基于交流电机模型的方法，如：模型参考自适应[ 3 ]、卡尔曼滤波[ 4 ]、滑模观测器[ 5 ]、自适应全阶观测器[ 6 ]等方法，这些方法具有很高的控制精度以及鲁棒性。

本文将重点介绍自适应全阶观测器、滑模观测器与矢量控制在交流电机无速度传感器技术中的应用。

1 速度自适应全阶观测器

对于异步电机来说，定子磁链和电磁转矩通常无法直接得到，一般是采用实时测量的电压电流信息和电机参数，并根据电机数学模型构造观测器来对内部的状态变量进行估计。全阶观测器在较宽范围内都有很高的观测精度[ 7 ]，通过引入速度自适应环节后可以在观测定子磁链的同时估计电机转速，实现无速度传感器控制。

在全阶观测器的设计中，反馈增益矩阵与自适应率系数的设计直接关系到系统的稳定性、鲁棒性以及收敛速度[ 7 ]。为了保证系统的稳定性与收敛性，本文将介绍一种采用极点左移的方法来设计增益矩阵并对其进行简化，最终得到一个常数增益矩阵。引入速度自适应环节，可以利用李雅普诺夫函数推导出转速估计的自适应率[ 7 ]，在实际应用中为了保证估计转速的收敛速度一般采用PI调节器来代替纯积分环节。

2 滑模观测器

在无速度传感器永磁同步电机控制策略中，滑模观测器被广泛应用，因为其具有结构简单、鲁棒性强以及快速的动态响应[ 8 ]。滑模观测器的主要思想是通过选取滑模面与滑模增益来估计永磁同步电机中的反电动势信号，再经过正交锁相环来提取出同步转速以及转子位置信号。由于逆变器非线性以及磁场谐波的存在，估计中的反电动势会产生6k±1谐波，导致转子位置估计不准，从而影响矢量控制中d、q轴的解耦。许多学者提出了改进型方法通过虑除反电动势信号中的谐波，来提高转子位置信息的估计精度，如：自适应陷波器、级联式低通滤波器、神经网络等方法。

3 矢量控制

目前，矢量控制被广泛应用在交流电机控制领域中，矢量控制为一个双闭环控制系統，外环分别为转子磁链与电机转速控制环，内环为定子电流控制环。矢量控制是通过把转子磁场定向到旋转坐标系中，然后把定子电流分解成d、q轴电流，最终采用PI调节器来分别控制转子磁链与电磁转矩。这种解耦控制方法使矢量控制具有很好的稳态及动态性能，因此能够满足高性能交流电机控制领域的要求。

矢量控制中传统线性PI调节器的电流内环分为d、q轴两个独立的控制环，由于受到环路间存在交叉耦合项、控制器离散化处理时产生的误差、数字控制系统延迟等因素的影响，调节器的控制效果会产生劣化。

因此有许多学者提出将交流电机控制系统中的d、q轴电流环当作一个整体的方法，然后在离散域中建立交流电机的电流环数学模型，同时考虑数字控制系统的一拍延迟，在离散域中直接设计电流调节器[ 9 ]，最终基于自动控制原理，推导出电流调节器参数设计的最优值。采用最优PI设计参数时，d、q轴电流动态响应快且不存在超调量。这种交流电机电流调节器设计方法能够很好的与上面提高的无速度传感器技术相结合，从而进一步推广了交流电机在工业当中的应用。

4 结语

本文详细的研究了交流电机无速度传感器控制策略，主要介绍了速度自适应全阶观测器与滑模观测器，这两种控制方法具有结构简单、鲁棒性好、观测精度高等特点，使其在交流电机控制领域中被广泛使用。本文也介绍了矢量控制在交流电机控制中的应用。首先介绍了传统线性PI调节器并不能完全消除环路之间的交叉耦合项以及离散化所带来的误差，然后介绍了一种直接在离散域中设计的复矢量PI调节器。这种方法很好的解决了环路之间的耦合以及离散误差等问题，为实现高性能交流电机无速度传感器运行提供了理论基础。本文的研究结果为高性能交流电机无速度传感器运行提供了新型解决方案，具有较大的工业应用价值。

参考文献：

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[9] Kim H，Degner M，Guerrero J，et al.Discrete-Time Current Regulator Design for AC Machine Drives [J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2010，46（4）：1425-1435.

作者簡介：

吴宏宇（1982-），男，汉族，硕士研究生，研究方向为现场总线与电机控制；

吴兴宇（1990-），女，汉族，硕士研究生，研究方向数据处理与高性能控制；

史运涛（1975-），男，汉族，博士，教授，研究方向为混杂系统优化控制。