基于新型磁链观测器的无速度传感器感应电机控制技术研究

王贤明，何 露，胡 丽，郑 成，曹 一

(中国船舶重工集团公司 第七二二研究所，湖北 武汉 430205)

基于新型磁链观测器的无速度传感器感应电机控制技术研究

王贤明，何 露，胡 丽，郑 成，曹 一

(中国船舶重工集团公司 第七二二研究所，湖北 武汉 430205)

提出一种由补偿式的二阶带通滤波器电压磁链观测模型，基于该补偿电压模型，构成新的磁链估计器。为了解决磁链观测器多平衡状态的问题，提出以提高磁链估计精度的方法、对不同类型感应电动机磁通观测器的控制技术进行研究。对传统的模型参考自适应速度估计方法进行改进，基于补偿式二阶带通滤波器电压磁链观测模式作为参考模型，速度估计的精度提高。同时对基于新型磁链观测器的无速度传感器感应电机控制技术进行研究，然后通过仿真验证。

感应电机；磁链观测；控制技术；无速度估计

0 引 言

近年来，感应电机无速度传感器矢量控制算法取得了快速发展。许多学者进行了深入的研究，并提供了很多实用的方法，特别是模型参考自适应全阶观测方法已经引起了广泛关注，其中包括异步电机模型，观测器反馈增益和转子速度自适应律[1–4]。传统速度自适应法是基于李雅普诺夫稳定性理论和波波夫超稳定性理论[5–7]。为了加快收敛速度估计误差，极点配置是为了观察反馈增益矩阵设计的通常使用方法。然而，许多研究和实际工作都表明，即使在参数误差和测量噪声很小的情况下，基于全阶自适应观测器的感应电机无速度控制系统会产生不稳定现象。

本文讨论基于改进电压模型磁通估算方法，从而实现异步电机无速度传感器控制系统的稳定运行。通过理论分析及仿真，验证了本文提出新方法的正确性。

1 感应电机速度观测模型

高精度、高分辨率的速度和位置传感器（如光电编码器等）价格昂贵，不仅提高了控制系统的成本，还限制了装置在恶劣环境下的应用。运用无速度传感器控制技术，可以在线估计感应电机的速度和位置，从而省去了传感器。

1.1 静止ABC轴系速度观测模型

在静止ABC轴系中，定、转子磁链和电压矢量方程为：

转子电压矢量方程中含有转子速度ωr，因此可用来获取转子速度信息，但是方程中有转子电流矢量ir，它是不可测量的，为此要将ir从方程中消去。

由式（2）可得：

式中定子电流is可取实测值，除此之外，还需要知道转子磁链矢量ψr及其微分dψr/dt。

由式（1）和式（2），可求得：

1.2 定子磁链旋转坐标系速度观测模型

定子磁链旋转坐标系速度观测模型方程表达为：

2 感应电机磁链观测器模型

2.1 转子磁链观测器电流模型

下面给出转子磁链观测电流模型方程式：

将式（17）转换成原理框图，如图1所示。

2.2 转子磁链观测器电压模型

电压模型表达式如下：

因纯积分存在零漂，可采用一阶低通滤波器代替纯积分环节，从而清除零漂现象。

2.3 转子磁链观测器改进电压模型

改进型电压模型先通过S/（S+λHωsTs）滤波器、再通过1/（S+λLωsTs）滤波器，最后对幅值及相位进行补偿，原理框图如图 2 所示，系数λH=0.1、λL=0.2。仿真波形如图3（a）、图3（b）所示，图3（c）是幅值及相位补偿前后定子磁链仿真对比波形、电压模型与电流模型转子磁链仿真对比波形。基于这种改进型方法需要对幅值及相位进行补偿，观测的磁链波形比较准确。

3 无速度传感器感应电机闭环控制系统

上面2种对速度观测是采用公式推导，即开环方式，且电角频率表达式中存在微分项，在离散化求解过程中会产生较大毛刺，计算结果会不太准确。下面采用模型参考自适应系统（Model Reference Adaptive System，MRAS），即一种闭环方式，这种模型主要包含参考模型、可调模型及自适应机构3部分。参考模型通常采用电压模型观测出电机转子磁链，可调模型通常采用电流模型观测出电机转子磁链，自适应机构采用电压、电流模型计算的磁链值交叉相乘，将这个交叉相乘的结果经过PI控制器，PI控制器的输出作为电角频率值，并将这个计算的电角频率值送入电流模型进行实时修正，使电压模型与电流模型观测的转子磁链完全吻合，这样实现了电角频率的实时观测。图4为模型参考自适应系统原理框图。

当电机参数比较准确时，估计出的ψr和ωr能始终映射出电动机的真实状态。但当电阻Rs不准确，在低速时对观测的结果产生影响；纯积分器引起的误差积累或直流温漂等问题也会对观测的结果产生影响。除定子电阻Rs外，转子电阻Rr以及电感Lm和Lr同样存在不准确性，在运行中也会发生变化，这些都会影响MRAS在低速时的应用和估计结果的准确性。

图5为采用间接磁场定向闭环控制，角速度ωr还是根据速度编码器检测的值代入计算，基于参考自适应模型进行角速度ωr_cal观测，但不参于闭环控制。图6为采用间接磁场定向闭环控制，基于参考自适应模型进行角频率ωr_cal观测并参于闭环控制。采用速度PI外环，电流内环控制，速度参考值为300 r/min，从仿真波形可以看出，观测的电角频率值与实际值接近。

4 结 语

与原有带速度传感器交流传动控制系统相比，无速度传感器控制系统具有更高的可靠性和更低的成本，明显减小电机的安装体积，并可以工作在更恶劣的环境下。本文采用新型磁链观测模型进行感应电机闭环控制，速度观测及闭环控制效果良好。

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Research on the different kinds of speed sensorless induction machine flux observer control technology

WANG Xian-ming, HE Lu, HU Li, ZHENG Cheng, CAO Yi
(The 722 Research Institute of CSIC, Wuhan 430205, China)

A compensated voltage model is proposed in this paper, which consists of a second order band pass filter and its compensator. Based on this compensated voltage model, a new flux estimator is constructed. To solve this multiple equilibrium states problem, a method to improve the flux estimator is proposed and the different kinds of induction motor flux observer control technology are studied. The traditional model reference adaptive speed estimation method is modified and using the band pass filter compensated voltage model proposed in this paper as the reference model. The precision of speed estimation is improved. On the basis of this modified model reference adaptive speed estimation method, a speed sensorless induction machine vector control strategy is proposed and then validated through simulation.

induction motor；flux estimation；control technology；speed-sensorless

TM3

A

1672 – 7619(2017)06 – 0142 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.029

2017 – 01 – 05；

2017 – 03 – 30

王贤明(1982 – )，男，工程师，主要从事控制技术方面的研究工作。