异步电动机转速辨识方法的仿真设计

摘 要：无速度传感器技术已经成为近几十年来的研究热点，而速度估计是无速度传感器的核心问题，鉴于此现象介绍了两种比较常用的速度估计方法。采用按转子磁链定向的矢量控制系统在MATLAB中搭建仿真模型，仿真实验结果验证了两种速度估计器的可行性以及适用领域。

关键词：异步电机；无速度传感器；MRAS；全阶磁链观测器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.050

1 引言

在现代交流传动控制中，常需要交流电机变量的准确信息，比如电流、磁链、转速等[1]。其中转速是实现转速闭环控制必不可少的信息，目前转速传感器使用较多的是光电脉冲编码器、旋转变压器或是测速发电机。然而在电机轴上安装转速传感器就要保证传感器轴与电机轴的同心度，同心度不好将影响测速的精度[2]；其次，异步电机是以其结果简单、维护方便、运行可靠和可工作在恶劣环境中等优点而被广泛使用的，现在其上安装转速传感器来获取转速信息，这将增加它的复杂度和成本，给系统维护带来了困难，破坏了电机简单坚固的特点[3]，降低了系统的机械鲁棒性；再次，转速传感器的安装会造成系统成本的增加、转动惯量的增加，同时转速传感器的工作精度还受到环境因素的影响，由于这些缺陷的存在，降低了调速系统的可靠性[4]。针对以上安装转速传感器所带来的不利因素，无速度传感器控制技术逐渐成为一个新领域，其研究的主要目的是利用电机易测得的物理量电流、电压等电信号，通过一定的算法获得电机的转速，并将其反馈回控制系统中，从而提高控制性能[5]。

2 模型参考自适应系统（MRAS）

模型参考自适应系统是一种基于稳定性设计的方法，能够保证估计的渐进收敛，对电机参数变化和外界扰动具有较强的鲁棒性[5，6]。MRAS的基本结构如图1所示。参考模型是一能代表受控系统性能的准确模型，它的输出为自适应机构的期望值；可调模型就是受控系统，可以调整其参数或者输入以获得尽量接近参考模型的性能；自适应机构则是由广义误差按上述目的调整受控系统的规律[2]。采用电压模型作为参考模型，电流模型作为可调模型来估计转速。

3 全阶磁链观测器

模型参考自适应的速度估计是以参考模型为基础的，参考模型的参数准确程度直接影响到速度辨识的准确程度[5]。另外，电压模型包含一个纯积分环节，纯积分存在积分初始值与直流漂移的累加问题，尤其在低速时特别明显。全阶观测器的方法是利用转子磁链估计值和定子电流的估计值与实际值的误差来估计转速，然后根据误差的动态方程和李亚普诺夫（Lyapunov）稳定性理论推导自适应律[6]。它是以电机本身作为参考模型，闭环全阶磁链观测器作为可调模型。以定子电流和转子磁链为状态变量的全阶磁链观测器。如图2所示，它对参数偏差、系统噪声具有很好的稳定性。

在两相静止坐标α-β下中，推出以定子电流和转子磁链为状态变量的电机模型矩阵方程[7，8]。

式中，“*”表示估计值，为转子转速观测值。G为误差反馈增益矩阵，观测器最后一项是包含电机输出电流和观测器输出电流的纠正项，增益矩阵G起到了加权矩阵的作用，用于校正观测所得的转子磁链状态变量[9]。G具有普遍性，适合于任何型号的异步电机。通过采用观测器极点与电机极点成正比的方式来配置观测器的极点。它的简化矩阵为：

采用k=2，因为电机本身稳定的。G的选取非常关键，为了加快观测器的收敛速度，其值应取大但不能太大，不然会使系统对干扰信号过于敏感，降低系统的稳定性。

式中：表示实际定子电流α、β两个量，为观测输出定子电流α、β两个量，为观测输出转子磁链α、β两个量。

4 仿真与分析

仿真是在空载与1.3倍定子电阻的情况下进行，得出仿真波形并分析。

4.1 MRAS仿真结果

4.1.1 空载下仿真波形

由图（3）中波形可以看去转速在0.05s时就能达到给定转速并且稳定，但是脉动比较大。它的误差达为：≤0.2；在1500r/min时，转速上升速度比较慢，约在0.26s并且误差比较大，在1左右波动。

4.1.2 空载1.3Rs下仿真波形

定子电阻发生改变时，观测值没有受其影响，与没有改变时一样，说明它对参数的鲁棒性能比较好。

4.2 全阶磁链观测器仿真结果

4.2.1 空载下的仿真波形

在此模型下，空载时，电机转速上升速度比较快，在0.06s时就能达到稳定，并且比MRAS的波动小，在稳定后几乎能完全跟踪上电机的实际转速，只在启动过程中，误差比较大。低速时如图（7）所示，其误差为：-0.5～﹢0.2范围内，当转速为1500r/min时，电机转速在0.106s时达到稳定值，它的估计值稍有脉动，误差在﹣0.8～﹢1.5。

4.2.2 空载1.3Rs下仿真波形

当定子电阻变为1.3倍定子电阻时，在低速时，如图（9），电机转速在0.06s时上升达到稳定，其估计误差在刚开始达到给定值时比较大，但随着它的继续运转，误差慢慢减少，在-0.2～﹢0.2之间波动；当电机转速为1500r/min时，启动时间会加长，约在0.112s，其误差稍有脉动，﹣0.5～﹢1.4。

由上述分析可以看出，全阶磁链观测模型达到的效果比较理想，它的自适应机构设置合理，使两模型的输出误差几乎接近于零。在低速区时，用全阶磁链观测方法来辨识转速比用MRAS法效果好。解决了纯积分环节在低速区所带来的积分初值和漂移的问题，不会出现累计误差。在中速区时，辨识效果也比较理想。全阶磁链观测器主要是修复各种观测器在低速区辨识精度低的缺点。

5 结论

在现有的多种速度估计器中，都必须要解决实际中存在的对参数变动的鲁棒性和系统的稳定性等问题。全阶磁链观测器比其它形式的速度估计器效果更好，适用于不同转速工况。

参考文献：

[1]宋文祥，姚刚，周文生等.异步电机全阶状态观测器极点配置方法[J].电机与控制应用，2008，35（09）：6-05.

[2]陈伯时.交流电机变频调速讲座第九讲无速度传感器控制的异步电动机调速系统[J].电力电子，2008（04）：56-07.

[3]张爱民.无速度传感器感应电机控制系统转速辨识方法研究[J]. 现代电子技术，2011，34（06）：208-03.

[4]许琤，韩幸军.新型磁链观测器在矢量控制系统的应用[J].电气技术，2009（07）：30-04.

[5]周有为，刘和平，刘述喜.感应电动机无速度传感器矢量控制综述[J].微电机，2006，39（04）：57-04.

[6]李洁，钟彦儒.异步电机无速度传感器控制技术研究现状与展望[J].电力电子，2007（05）：03-09.

[7]Hisao Kubota，Kouki Matsuse.Speed Sensorless Field-Oriented Control of Induction Motor with Rotor Resistance Adaption[J].IEEE Transactions on Industry Applications.1994，30（05）：1219-1224.

[8]Hisao Kubota，Kouki Matsuse，Yoichi Hori.Regenerating-Mode Low-Speed Operation of Sensorless Induction Motor Drive With Adaptive Observer[J].IEEE Transactions on Industry Applications.2002，38（04）：1081-1086.

[9]李立明，刘忠举.基于全阶磁链观测器的异步电机无速度传感器矢量控制系统[J].船电技术，2011，31（03）：42-03.

[10]王坚.无速度传感器异步电机直接转矩控制系统的研究[D].长沙：中南大学，2005：32-37.

作者简介：黄钦（1988-），女，湖南常德人，硕士，主要研究方向：电力电子自动控制系统。