基于模型参考自适应的异步电动机无速度传感器DTC

无速度传感器变频调速系统转速辨识方法研究

作者简介：张敬恩(1983- )，女，硕士研究生，研究方向为机电传动与控制。 随着电力电子技术、计算机技术和变频调速控制技术的发展，高性能的变频调速系统得到了广泛的应用，其一般离不开速度的闭环控制，这样必须实时获取电机转速。通常人们是利用电机同轴安装高精度的速度或位置传感元件，如光电编码盘和测速发电机等。但速度传感器的存在不仅阻碍了电机向高速化、小型化的方向发展，同时其安装也给系统带来了一些缺陷：(1)系统成本大大增加，精度越高的码盘价格也就越贵；(2)存在同心度问题，安装不当将影响转速的检测；(3)使电机轴向上体积增大，而且给其维护带来一定困难，降低了系统的机械鲁棒性；(4)在高温、高湿的恶劣环境下无法工作，而且码盘工作 精度易受环境条件的影响。 由于以上缺陷，使得人们改为研究无需速度传感器的电机转速辨识方法。20世纪70年代，有学者提出利用电流、电压等易于测量的物理量对电机转速进行辨识的无速度传感器技术，它解决了因安装速度传感器给传动系统造成的上述问题。目前，国外已有实用的无速度传感器通用变频器产品，而国内在无速度传感器变频调速方面的研究起步较晚，与国外有很大的差距。因此开发具有完全自主知识产权的无速度传感器变频产品已成为当务之急。 1 转速辨识方法分类 从电机模型理想化程度的角度可将无速度传感 无速度传感器变频调速系统转速辨识方法研究 张敬恩 (大连交通大学，辽宁 大连 116028) Abstract: From the angle of ideal perspective of motor models, the speed sensor-less control strategy is divided into two categories of ideal model and non-ideal characteristics to identify rotation speed. Introduction and analysis were made to theoretical key points and advan-tages and disadvantages of several relatively typical speed identi ? cation methods. On basis of direct rotation torque control, speed sensor-less frequency control system model was designed and carried out simulation, test parameters and simulation diagram given. Also the future research direction is to raise dynamic and static characteristics of the control system further; to improve performance under low speed; to strengthen robustness of the system to motor parameters change, so as to reduce complexity of the system and to make study results more practical. Key words: speed sensor-less; frequency control; speed identi ? cation ZHANG Jing-en （Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China ） Study on Speed Identi ? cation Methods for Speed Sensor-Less Frequency Control System 摘 要：从电机模型理想化程度的角度将无速度传感器控制策略分为基于理想模型的转速辨识方法和基于非理想特性的转速辨识方法两大类。介绍和分析了几种比较典型的转速辨识方法的理论要点和优缺点，在直接转矩控制基础上设计了无速度传感器变频调速系统模型并进行仿真，给出了试验参数及仿真图形，并提出了今后的主要研究方向是：进一步提高控制系统的动静态特性，改善低速下的性能；增强系统对电机参数变化的鲁棒性；降低系统的复杂性，使得研究成果更为实用化。 关键词：无速度传感器；变频调速；转速辨识 中图分类号：TM921.51；TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2010)02-0018-05

基于模型参考自适应的异步电动机无速度传感器DTC

2010年第5期 D 驱动控制rive and co n trol 基 于模型参考自适应的异步电动机无速度传感 器 63 收稿日期:2009-09-25 基于模型参考自适应的异步电动机无速度传感器DTC 姬宣德 (洛阳理工学院,河南洛阳471023) 摘 要:为了提高定子磁链的观测精度,将闭环磁链观测器用于直接转矩控制系统中取代传统的纯积分器;在磁链闭环观测器的基础上,依据模型参考自适应理论(M RA S)构造出了速度自适应观测器。仿真和实验结果表明,该方案成功地实现对转速的辨识,证明了方法的可行性。 关键词:模型参考自适应;直接转矩控制;磁链观测器;速度自适应观测器 中图分类号:T M 343 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2010)05-0063-04 A synchronousM otor Sensor less DTC Study Based onMRA S JI X uan -de (Luoyang I nstitute o f Science and Techno l o gy ,Luoyang 471023,China) Abstract :In o rder to i m prove the accuracy observati on of sta tor fl ux ,t he c l o sed-loop flux observer w as used i n the DTC s to rep l ace t he traditi onal pure i ntegrator i n t h is paper .O n the basis of t he closed-loop fl ux observer ,the speed adap ti ve observer w as constructed based onM RA S .S i m u lati on and experi m enta l results show t hat the c losed-loop fl ux observer stator fl ux can i m prove the accuracy of observ ati on ,and tha t the speed adapti ve observe r can i ncrease speed observed prec i si on .T he syste m,t herefore ,ma i n tai ns a good perfor m ance at a re l a ti ve l y lo w speed .T he prog ram can be successfu ll y a ch i eved on t he speed o f i dentificati on ,and using the speed i dentificati on a l go rith m can m ake d irect t o rque contro l sy stem ob ta i n a good l ow -speed perfor m ance . K ey word s :M RA S ;direct t o rque contro;l fl ux observer ;speed adapti ve observe r 0引 言 直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种异步电动机变频调速技术。直接转矩控 制系统低速性能难以提高的重要原因是低速时定子磁链难以准确观测。传统的方法是采用纯积分器(U -I 模型)作为磁链观测器,而积分器本身具有误差积累以及直流偏移问题,尤其是异步电动机运行于低速时这些问题变得非常严重,使得定子磁链在低转速下的观测变得不准确,从而使直接转矩控制系统在低转速下的控制性能受到影响。为了满足高性能交流传动的需要,对速度进行闭环控制,而速度传感器的安装增加了系统的复杂性,降低了系统的可靠性和鲁棒性,并增加了系统成本和维护要求。本文利用闭环磁链观测器取代传统的纯积分器以观测定子磁链,模型参考自适应理论(MRAS)构造出了速度自适应观测器实现对速度的估计。最后对该无速度传感器异步电动机DTC 系统进行仿真和实验,仿真和实验结果证明了该方案的正确性。 1直接转矩控制的工作原理 图1是无速度传感器直接转矩控制系统的工作 原理图。利用三相/两相(3s/2s) 坐标变换把被测量 图1 无速度传感器直接转矩控制系统工作原理图 三相电压u a 、u b 、u c 和三相电流i a 、i b 、i c 变换成在 、 坐标系下的电压u 、u 和电流i 、i ,通过磁链观测器得到 ^ 、 ^ 。由 ^ 、 ^ 、i 、i 形成转矩模型输出反馈转矩T e ;由定子磁链 ^ 、 ^ 形成磁链幅值模型输出定子磁链幅值 s ;利用检测到的电机转速与给定转速通过转速调节器输出给定转矩T * e ;把在 、 坐标系下的磁链分量投影到三相定子轴线上,得到磁链区间识别器判断出定子磁链所在的区间!。然后利用反馈转矩T e 与给定转矩T * e 比较形成 转矩开关信号;与此同时,利用反馈磁链幅值

模型参考自适应控制

10．自适应控制 严格地说，实际过程中的控制对象自身及能所处的环境都是十分复杂的，其参数会由于种种外部与内部的原因而发生变化。如，化学反应过程中的参数随环境温度和湿度的变化而变化（外部原因），化学反应速度随催化剂活性的衰减而变慢（内部原因），等等。如果实际控制对象客观存在着较强的不确定，那么，前面所述的一些基于确定性模型参数来设计控制系统的方法是不适用的。 所谓自适应控制是对于系统无法预知的变化，能自动地不断使系统保持所希望的状态。因此，一个自适应控制系统，应能在其运行过程中，通过不断地测取系统的输入、状态、输出或性能参数，逐渐地了解和掌握对象，然后根据所获得的过程信息，按一定的设计方法，作出控制决策去修正控制器的结构，参数或控制作用，以便在某种意义下，使控制效果达到最优或近似更优。目前比较成熟的自适应控制可分为两大类：模型参考自适应控制（Model Reference Adaptive Control）和自校正控制（Self-Turning）。 10.1模型参考自适应控制 10.1.1模型参考自适应控制原理 模型参考自适应控制系统的基本结构与图10.1所示： 10.1模型参考自适应控制系统 它由两个环路组成，由控制器和受控对象组成内环，这一部分称之为可调系统，由参考模型和自适应机构组成外环。实际上，该系统是在常规的反馈控制回路上再附加一个参考模型和控制器参数的自动调节回路而形成。

在该系统中，参考模型的输出或状态相当于给定一个动态性能指标，（通常，参考模型是一个响应比较好的模型），目标信号同时加在可调系统与参考模型上，通过比较受控对象与参考模型的输出或状态来得到两者之间的误差信息，按照一定的规律（自适应律）来修正控制器的参数（参数自适应）或产生一个辅助输入信号（信号综合自适应），从而使受控制对象的输出尽可能地跟随参考模型的输出。 在这个系统，当受控制对象由于外界或自身的原因系统的特性发生变化时，将导致受控对象输出与参考模型输出间误差的增大。于是，系统的自适应机构再次发生作用调整控制器的参数，使得受控对象的输出再一次趋近于参考模型的输出（即与理想的希望输出相一致）。这就是参考模型自适应控制的基本工作原理。 模型参考自适应控制设计的核心问题是怎样决定和综合自适应律，有两类方法，一类为参数最优化方法，即利用优化方法寻找一组控制器的最优参数，使与系统有关的某个评价目标，如：J=? t o e 2(t)dt ，达到最小。另一类方法是基于稳 定性理论的方法，其基本思想是保证控制器参数自适应调节过程是稳定的。如基于Lyapunov 稳定性理论的设计方法和基于Popov 超稳定理论的方法。 系统设计举例 以下通过一个设计举例说明参数最优化设计方法的具体应用。 例10.1设一受控系统的开环传递函数为W a (s)=) 1(+s s k ，其中K 可变，要求 用一参考模型自适应控制使系统得到较好的输出。 解：对于该系统，我们选其控制器为PID 控制器，而PID 控制器的参数由自适应机构来调节，参考模型选性能综合指标良好的一个二阶系统： W m (d)= 1 414.11 2 ++s s 自适应津决定的评价函数取 minJ =?t e 2 (t)dt ，e(t)为参考模型输出与对象输出的误差。 由于评价函数不能写成PID 参数的解析函数形式，因此选用单纯形法做为寻优方法。（参见有关优化设计参考文献）。 在上述分析及考虑下，可将系统表示具体结构表示如下图10.2所示。

无速度传感器矢量控制

无速度传感器矢量控制技术的行业现状与展望 The Comprehensive Status Analysis and Future Development Tendency of Sensor-less Vector Control (SVC) Technology 1 引言 交流传动在高性能场合的应用始于矢量控制概念的引入，包括直接磁场定向与间接磁场定向控制。尽管这一概念早在60年代就已出现，并由Siemens 的Blaschke博士于1972年正式提出，但是真正应用还是在微电子技术发展的二十年后。矢量控制从基本原理上讲能够获得优异的动静态特性，但是对电机参数的敏感性却成为实际应用中必须解决的问题。驱动器通过启动前的自整定以及运行过程中的在线整定，适应电机参数变化，保持矢量控制的动静态性能，这些复杂的自适应控制算法都必须通过强大的信号处理器才能完成。 近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及，矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合，乃至家用电器。交流驱动器已在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用。随着半导体技术的飞速发展，功率器件在不断优化，开关速度在提高而损耗在下降，功率模块的功率密度在不断增加;数字信号处理器的处理能力愈加强大，处理速度不断提升，交流驱动器完全有能力处理复杂的任务，实现复杂的观测、控制算法，现代交流传动的性能也因此达到前所未有的高度。以代表交流驱动控制最高水平的交流伺服为例，其需求随着新的生产技术与新型加工原料的出现而迅速增长。据相关统计，高性能交流伺服驱动器数量的年增长率超过12%。伺服驱动中应用最多的电机是异步电机及同步电机，额定功率从50W到200kW，位置环、速度环以及转矩环路的典型带宽分别为60Hz、200Hz 以及1000Hz。 交流电机驱动中的大部分问题应当说在当今的驱动器中已经得到解决，相关的成熟技术提供了被业界广泛接受的解决方案，并在许多领域中得到成功应用，因此从基本结构上来讲，交流驱动器的现有设计方案在未来的几年中不会有大的变化。现在，交流驱动器开发的一个重点是如何将驱动器与电机有机地结合在一起，开发出更低成本、高可靠性、高性能“驱动模块”。基于这一思路，为进一步减小成本、提高可靠性，开发人员在如何省去轴侧传感器以及电机相电流传感器进行了深入的研究，特别是高性能无速度传感器矢量控制(SVC)的实现吸引了各国研发人员的广泛关注，并已成为近年来驱动控制研究的热点。随着具有强大处理能力的数字信号处理器的推出，实现该控制方式所需要的高鲁棒性、自适应的参数估计以及非线性状态观测成为可能，新的无速度传感控制方案不断推出。Siemens、Yaskawa、Toshiba GE、Rockwell、Mistubishi、Fuji等知名公司纷纷推出自己的SVC控制产品(本文所指SVC均针对异步电机)，控制特性也在不断提高。SVC目前已在印刷、印染、纺机、钢铁生产线、起重、电动汽车等领域中广泛应用，在高性能交流驱动中占有愈来愈重要的地位。 2 无速度传感器矢量控制的优势 概括来说，无速度传感器矢量控制可以获得接近闭环控制的性能，同时省去了速度传感器，具有较低的维护成本。与传统V/Hz控制比较，无速度传感器矢量控制可以获得改进的低速运行特性，变负载下的速度调节能力亦得到改善，同时还可获得高的起动转矩，这在高摩擦与惯性负载的起动中有明显的优势。正是由于这些驱动特性，该控制技术已逐渐成为通用恒转矩驱动应用的选择。事实上，基本上所有的AC驱动厂家都提供该控制模式。 Schneider公司的驱动市场经理Susan Bowler认为，该控制模式的吸引人之处在于利用最小的附加费用获得大大增强的性能，包括低速特性、转矩响应及定位能力等。由于其性能接近伺服驱动，公司在拓展需要更精确负载定位控制的场合。该公司的第三代Altivar无速度传感器驱动产品具有自调谐特性，确保驱动器在电机运行参数随时间发生变化的情况下

异步电动机无速度传感器矢量控制系统设计

肖金凤 1971年1月 生,1994年毕业于湖南大学电气与信息工程学院电机专业,学士学位,2004年毕业于湖南大学电气与信息工程学院控制工程专业,硕士学位,讲师。主要研究方向为电机智能控制、工业过程控制及综合自动化。 异步电动机无速度传感 器矢量控制系统设计 * 肖金凤1 , 黄守道2 , 李劲松 1 (1.南华大学,湖南 衡阳 421001;2.湖南大学,湖南 长沙 410082) 摘要 文章提出一种基于模糊神经网络的模型参考自适应电机转速辨识方法,将其与SVP WM 调制技术控制的变频器系统结合起来,组成了一种基于DSP 的异步电机无速度传感器矢量控制系统。具体介绍了其结构及软硬件的设计。仿真结果表明此系统动态性能好,能准确跟踪电机转速的变化。 关键词 异步电动机 无速度传感器 SVP WM 矢量控制 数字信号处理器 Fiel d Oriented Control Syste m of Speed Sensorless Based on DSP X iao Jinfeng ,Huang Shoudao ,L i Jingsong (1.N anhua Un iversity ;2.H unan Un i v ersity ) Abstract :This paper presents a ne w m et h od of i n ducti o n m otor speed identifica -ti o n .It is the co m binati o n o f f u zzy neural net w ork (FNN )w ith m odel reference adap -ti v e syste m (MRAS).W e co m bi n e this m ethod w it h the i n verter contro lled by space vector pulse w idth m odu lati o n (SVP WM )to for m a field oriented con tro l syste m o f speed senso rless based on DSP . Its struct u re and soft w are and hardw are are ana -l y zed .The S i m u lation results sho w that the contro l syste m has better dyna m ic per -f o r m ance and can accurately track the variati o n of the m otor speed . K ey w ords :I nducti o n m oto r Speed sensorless SVP WM F ield oriented con -tro l (FOC) DSP *湖南省自然科学基金资助项目(编号:02JJ Y 2089) 1 引言 异步电动机的数学模型由电压方程、磁链方 程、转矩方程和运动方程组成,是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。采用传统的控制策略对其进行控制时,动态控制效果较差。目前异步电动机控制研究工作正围绕几个方面展开:采用新型电力电子器件和脉宽调制控制技术;应用矢量控制技术及现代控制理论、智能控制技术;广泛应用数字控制系统及计算机技术;无速度传感器控制技术。本文以电机控制专用芯片 T M S320F240为核心,采用磁通、转速闭环的矢量控制策略,利用SVP WM 脉宽调制技术、无速度传感器及智能控制技术,设计了一电机控制系统。仿真结果表明该控制系统抗干扰能力强,动态性能好。 2 速度估计策略 模型参考自适应方法(MRAS)是应用较广的速度估计方法。本文设计的模型参考自适应速度估计系统为减少定子电阻的影响选择瞬时无功功率模型,同时为有效解决瞬时无功功率模型参考 40 异步电动机无速度传感器矢量控制系统设计《中小型电机》2005,32(2)

无速度传感器的矢量控制系统仿真

课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位：武汉理工大学 题目: 无速度传感器的矢量控制系统仿真 初始条件： 电机参数为：额定电压U=380V、频率50 =、定子电阻s R=0.252Ω、 f Hz 额定功率P=2.2KW、定子自感 L=0.0016H、转子电阻r R=0.332Ω、额定转速 s n=1420rpm、转子自感r L＝0.0016H、级对数p n＝2、互感m L＝0.08H、转动惯量J=0.6Kgm2 要求完成的主要任务: （1）设计系统原理图; （2）用MATLAB设计系统仿真模型； （3）能够正常运行得到仿真结果,包括转速、转矩等曲线，并将推算转速与实际转速进行比较 参考文献： [1] 洪乃刚.《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》.北京：机械 工业出版社，2005:212-215 时间安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表 具体时间设计内容 12.5 指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介 绍；学生确定选题，明确设计要求 12.6－12.9 开始查阅资料，完成方案的初步设计 12.10—12.11 由指导老师审核设计方案，学生修改、完善并对其进行分析 12.12－12.13 撰写课程设计说明书 12.14 上交课程设计说明书，并进行答辩 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日

摘要 异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电机的调速方案。矢量控制是目前交流电动机较先进的一种动态模型,它又有基于转差频率控制的、无速度传感器和有速度传感器等多种矢量控制方式。无速度传感器控制的高性能通用变频器是当前全世界自动化技术和节能应用中受到普遍关心的产品和开发课题。本文介绍无速度传感器的矢量控制系统的原理和Matlab仿真。 关键词：矢量控制、无速度传感器、Matlab

浅谈交流电机无速度传感器控制策略

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/9c8237767.html, 浅谈交流电机无速度传感器控制策略 作者：吴宏宇吴兴宇史运涛 来源：《科技风》2016年第24期 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

电机无位置、无速度传感器的设计

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 现代交流电动机的智能控制 --电机无位置、无速度传感器的设计 班级：电气 姓名： 学号: 完成日期： 2015年1月3日

电机无位置、无速度传感器的设计 【摘要】近年来，随着现代电力电子技术以及现代控制理论的飞速发展，促进了永磁同步电机无位置传感器控制技术的不断进步。无位置传感器永磁同步电机调速系统不仅具有结构简单、易维护、运行效率高、调速性能好等优点，还具有体积小、成本低、可靠性高以及能应用于一些特殊场合的特点。本文以正弦波驱动的永磁同步电动机为研究对象，采用滑模观测器的方法，研究并实现了永磁同步电机驱动控制系统的无位置传感器技术。 【关键词】永磁同步电机，无位置传感器，矢量控制

一、永磁同步电机数学模型 永磁同步电机(PMSM)的定子结构与普通感应电动机的定子一样，均为三相对称绕组结构，转子的磁路结构是它区别于其它类型电机的主要因素。为了更好的分析和控制，需要建立简便可行的永磁同步电机数学模型。 永磁同步电动机是一个多输入、强耦合、非线性系统，因此其电磁关系十分复杂。为了简化分析，作出如下假设： (1)忽略磁路饱和、涡流和磁滞损耗； (2)转子上没有阻尼绕组，永磁体没有阻尼作用； (3)电机的反电势正弦，定子电流在气隙中只产生正弦分布磁势，忽略磁场高次谐波。 图1为表装式永磁同步电机的结构图，为了简化，这里转子设为一对磁极结构。从图1中可知，永磁同步电机的定子绕组结构与感应电机相同，三个电枢绕组空间分布，轴线互差 120°电角度。这里以 A 相绕组轴线作为定子静止参考轴，定义转子永磁极产生的磁场方向为直轴(d 轴)，则沿着旋转方向超前直轴 90°电角度的位置为交轴(q 轴)，并且以转子直轴相对于定子 A 相绕组轴线作为转子位置角θ。 ???? ??????+????????????????????=??????????c b a c b a c b a c b a i i i R R R u u u ???000000 三相定子电流主要作用是产生一个旋转的磁场，从这个角度来说，可以用两相系统来等效，这里就引入了旋转两相dq 坐标,于是得到 PMSM 在dq 轴系的电压方程：

交流感应电动机无速度传感器的高动态性能控制方法综述

交流感应电动机无速度传感器的 高动态性能控制方法综述 清华大学　杨耕 上海大学　陈伯时 摘要:文章分析了交流感应电机无速度传感器的高动态性能控制方案的控制要点。在介绍国内外产业界已实用化的、以及正在研发中的几种代表性的控制策略的同时,讨论了各种方法理论要点和实际应用中的特点。最后,介绍了当前的几个研究热点问题并就发展方向提出了一点设想。 关键词:异步电动机控制　无速度传感器　转矩控制　磁链观测　速度辨识 Rev iew the M ethods for the Speed Sen sor-less Con trol of I nduction M otor Yang Geng　Chen Bo sh i Abstract:T h is paper analyzes theo retical po ints of the i m p lem entati on fo r h igh perfo r m ance contro l of in2 ducti on mo to r w ithout speed senso r.A fter that,typ ical app roaches of the contro l strategy,w h ich are used in p ractical p roducts o r are being developed recently,are p resented and the characteristic of each app roach is dis2 cussed.F inally,som e unso lved p roblem s being researched as w ell as the develop ing po tentials are introduced. Keywords:contro l of inducti on mo to r　speed senso r2less　to rque contro l　flux observer　speed identifica2 ti on 1　前言 交流感应电机的无速度传感器高动态性能控制,是为了实现与有速度传感器的矢量控制(或直接转矩控制)相当的转矩和速度性能的方案,被用于无法设置速度传感器的设备或新一代高性能通用变频器之中[1,2]。相关的理论与技术也成为近10年来交流传动领域的热门研发内容之一。 本文主要综述在无速度传感器的前提下,具有速度反馈控制环的矢量控制方案(V C)和直接转矩控制方案(D TC),而不讨论诸如“V F控制+为补偿负载变动的滑差补偿”等只考虑静态的方法。本文在介绍各种方法的同时,综述其理论要点和实际应用中的特点、介绍所应用的厂家,从中总结出实现高动态性能控制的要点及主要成果。最后,介绍当前几个研究热点问题。 2　控制方法 211　方法分类的出发点 一般地,由转矩控制环及速度控制环构成的无速度传感器矢量控制(或直接转矩控制)系统由图1所示的3个环节构成。即:①速度调节器;②磁链和转矩控制器;③速度推算或辨识器(含磁链计算或观测) 。 图1　无速度传感器控制系统构成 对于环节②,需要控制转矩和磁链。由此可以分为:a以转子磁链定向控制为基础的矢量控制策略。目前常用的有计算滑差频率的被称为间接法(I V C)和把状态观测器观测到的转子磁链进行反馈控制的直接法(DV C)。b以控制定子磁链为特点的,被称之为直接转矩控制策略(D TC)。 环节③的结构依存于环节②的结构。实际上在计算或推定速度值时,常常也要获得(计算或观测)磁链(转子的或是定子的)值。因此,按其理论上的特点,可以把获得转速和磁链的方法大致分 3 电气传动　2001年　第3期

无速度传感器简介

无速度传感器 在高性能的异步电机矢量控制系统中，转速的闭环控制环节一般是必不可少的。通常，采用光电码盘等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。但是，由于速度传感器的安装给系统带来一些缺陷：系统的成本大大增加；精度越高的码盘价格也越贵；码盘在电机轴上的安装存在同心度的问题，安装不当将影响测速的精度；电机轴上的体积增大，而且给电机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电机的简单坚固的特点；在恶劣的环境下，码盘工作的精度易受环境的影响。因此，越来越多的学者将眼光投向无速度传感器控制系统的研究。国外在20世纪70年代就开始了这方面的研究，但首次将无速度传感器应用于矢量控制是在1983年由R．Joetten完成，这使得交流传动技术的发展又上了一个新台阶，但对无速度传感器矢量控制系统的研究仍在继续。 2无速度传感器的控制方法 在近20年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，无速度传感器控制技术的发展始于常规带速度传感器的传动控制系统，解决问题的出发点是利用检测的定子电压、电流等容易检测到的物理量进行速度估计以取代速度传感器。重要的方面是如何准确地获取转速的信息，且保持较高的控制精度，满足实时控制的要求。无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本；另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电机与控制器的连线，使得采用无速度传感器的异步电机的调速系统在工程中的应用更加广泛。国内外学者提出了许多方法。 （1）动态速度估计法主要包括转子磁通估计和转子反电势估计。都是以电机模型为基础，这种方法算法简单、直观性强。由于缺少无误差校正环节，抗干扰的能力差，对电机的参数变化敏感，在实际实现时，加上参数辨识和误差校正环节来提高系统抗参数变化和抗干扰的鲁棒性，才能使系统获得良好的控制效果。 （2）PI自适应控制器法其基本思想是利用某些量的误差项，通过PI自适应控制器获得转速的信息，一种采用的是转矩电流的误差项；另一种采用了转子q轴磁通的误差项。此方法利用了自适应思想，是一种算法结构简单、效果良好的速度估计方法。 （3）模型参考自适应法（MRAS）将不含转速的方程作为参考模型，将含有转速的模型作为可调模型，2个模型具有相同物理意义的输出量，利用2个模型输出量的误差构成合适的自适应律实时调节可调模型的参数（转速），以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。根据模型的输出量的不同，可分为转子磁通估计法、反电势估计法和无功功率法。转子磁通法由于采用电压模型法为参考模型，引入了纯积分，低速时转子磁通估计法的改进，前者去掉了纯积分环节，改善了估计性能，但是定子电阻的影响依然存在；后者消去了定子电阻的影响，获得了更好的低速性能和更强的鲁棒性。总的说来，MRAS是基于稳定性设计的参数辨识方法，保证了参数估计的渐进收敛性。但是由于MRAS的速度观测是以参考模型准确为基础的，参考模型本身的参数准确程度就直接影响到速度辨识和控制系统的成效。 （4）扩展卡尔曼滤波器法将电机的转速看作一个状态变量，考虑电机的五阶非线性模型，采用扩展卡尔曼滤波器法在每一估计点将模型线性化来估计转速，这种方法

无速度传感器说明

无速度传感器说明： 在现代交流调速系统中，为了获得高性能的转速控制，采用了速度闭环控制，必须在电机轴上安装速度传感器。但在实际系统中，速度传感器的安装往往受到一些限制，主要存在以下几个问题[3,4]： 1) 速度传感器的安装降低了系统的鲁棒性和简单性； 2) 高精度的速度传感器价格一般比较贵，增加了系统成本； 3) 在一些恶劣的条件下（如高温、潮湿等），速度传感器的安装会降低系统 的可靠性； 4) 速度传感器的安装存在一些困难，如果安装不当会成为系统的一个故障 源。 为了避免这些问题，使得人们转而研究无需速度传感器的电机转速辨识方法。近年来，这项研究也成为交流传动的一个热点问题。国外在20世纪70年代开始了这方面的研究。而首次将无速度传感器应用于矢量控制是在1983年由R.Joetten 完成的，这使得交流传动技术的发展又上了一个新的台阶。在其后的十几年中，国内外的学者在这方面做了大量的工作，到目前为止，提出了许多种方法，大体上可以分为：①动态转速估计器；②模型参考自适应（MRAS ）；③基于PI 调节器法；④自适应转速观测器；⑤转子齿谐波法；⑥高频注入法；⑦基于人工神经元网络的方法。 以下分别讨论动态转速估计器，模型参考自适应（MRAS ），基于PI 调节器法，滑模变结构观测器，在第二章建立的异步电机矢量控制仿真实验平台上仿真。 动态转速估计器[3] 这种方法从电机的电磁关系式，转速的定义中得到关于转差的表达式。电机角速度等于同步角速度s ω与转差角速度sl ω之差。 s sl ωωω=- （3-1） 同步角速度可以由静止坐标系下的定子电压方程式推得，由图3-1矢量关系可知 2 2 s s s s s s s s s s d d arctg dt dt p p βαβααβ αβ ωθψ? ?==?? ψ?? ψψ-ψψ= ψ+ψ （3-2）

模型参考自适应控制—MIT法

一 原理及方法 模型参考自适应系统，是用理想模型代表过程期望的动态特征，可使被控系统的特征与理想模型相一致。一般模型参考自适应控制系统的结构如图1所示。 图1 一般的模型参考自适应控制系统 其工作原理为，当外界条件发生变化或出现干扰时，被控对象的特征也会产生相应的变化，通过检测出实际系统与理想模型之间的误差，由自适应机构对可调系统的参数进行调整，补偿外界环境或其他干扰对系统的影响，逐步使性能指标达到最小值。 基于这种结构的模型参考自适应控制有很多种方案，其中由麻省理工学院科研人员首先利用局部参数最优化方法设计出世界上第一个真正意义上的自适应控制律，简称为MIT 自适应控制，其结构如图2所示。 图2 MIT 控制结构图 系统中，理想模型Km 为常数，由期望动态特性所得，被控系统中的增益Kp 在外界环境发生变化或有其他干扰出现时可能会受到影响而产生变化，从而使其动态特征发生偏离。而Kp 的变化是不可测量的，但这种特性的变化会体现在广义误差e 上，为了消除或降低由于Kp 的变化造成的影响，在系统中增加一个可调增益Kc ，来补偿Kp 的变化，自适应机构的任务即是依据误差最小指标及时调整Kc ，使得Kc 与Kp 的乘积始终与理想的Km 一致，这里使用的优化方法为最优梯度法，自适应律为： ??+=t m d y e B Kc t Kc 0)0()(τ Yp Ym e +__ + R 参考模型 调节器被控对象 适应机构 可调系统 ———kmq(s) p(s) Kc Kp q(s)-----p(s)适应律 R ym yp e +-

MIT 方法的优点在于理论简单，实施方便，动态过程总偏差小，偏差消除的速率快，而且用模拟元件就可以实现；缺点是不能保证过程的稳定性，换言之，被控对象可能会发散。 二 对象及参考模型 该实验中我们使用的对象为： 1 22) ()()(2 ++= =s s s p s q K s G p p 参考模型为： 1 21) ()()(2 ++= =s s s p s q K s G m m 用局部参数最优化方法设计一个模型参考自适应系统，设可调增益的初值Kc(0)=0.2，给定值r(t)为单位阶跃信号，即r(t)=A ×1(t)。A 取1。 三 自适应过程 将对象及参考模型离散化，采样时间取0.1s ，进而可得对象及参考模型的差分方程分别为： )2(0044.0)1(0047.0)2(8187.0)1(8079.1)(-+-+---=k r k r k y k y k y m )2(0088.0)1(0094.0)2(8187.0)1(8097.1)(-+-+---=k u k u k y k y k y p p p 其中u 为经过可调增益控制器后的信号。编程进行仿真，经大量实验发现，取修正常数B 为0.3，可得较好的动态过度过程，如下图3所示：

无速度传感器矢量控制需解决的问题

无速度传感器矢量控制需解决的问题矢量控制从基本原理上讲能够获得优异的动静态特性，但是对电机参数的敏感性却成为实际应用中必须解决的问题。驱动器通过启动前的自整定以及运行过程中的在线整定，适应电机参数变化，保持矢量控制的动静态性能，这些复杂的自适应控制算法都必须通过强大的信号处理器才能完成。 无速度传感器矢量控制尽管省略了闭环控制中使用的速度传感器，SVC仍然需要采用电压、电流传感器对电机进行控制，在高速运算处理器的平台上通过使用复杂的电机模型与高强度的数学运算，对传感器输入信号进行处理获得电机控制所需的磁通与转矩分量，再通过自适应的磁场向量方法实现解耦控制，以获得良好的动态响应。 应当说，该控制方式目前没有标准的解决方案，SVC控制的关键在于正确的转速估计与解耦控制，但这两者之间又存在相互耦合的关系。转速估计的精度不仅决定于测量的定子电压与电流，同时与电机参数密切相关。在数字化电机控制系统中，转速估计的精度又与采样频率以及反馈信号的分辨率有关，而转速估计的精确程度不仅影响到速度控制的

准确度, 也会影响到速度环路补偿器的设计。这些问题环环相扣, 稍有失误甚至会影响到系统的稳定性。 SVC技术要实用化，必须解决几个基本问题:磁通辨识、速度估计以及参数适应性。过去十几年里，研究人员开发出了多种磁通辨识与转速估计方法。其中以磁场定向为基础的转速估计法由于其快速性与较高的准确度，已成为行业设计的主流。 无论是磁通辨识还是速度估计，对参数的依赖性都较强，也正是因为如此SVC与采用速度或位置传感器的闭环磁通矢量控制(FVC)相比，对电机参数的变化更为敏感，在速度调节与转矩响应等动态指标上要落后于FVC控制。目前业界对SVC参数整定的设计包括初始整定与在线整定两种。有关参数自适应这方面的研究仍在深入，如何提高SVC系统的适应性、鲁棒性无疑是一个重要的研究课题。 总的来看，由于不需要速度传感器，SVC的电机控制模型要十分精确。从运算量来讲，SVC控制比FVC更为复杂，这也使得无速度传感器控制的难度要明显高于闭环控制。由于电机参数在运行过程变化很大，

感应电动机的无速度传感器控制研究.

感应电动机的无速度传感器控制研究 3 王家军王建中 杭州电子科技大学 摘要 :基于定子侧静止参考坐标系 , 把感应电动机的模型分为机械部分和电气部分。利用新的状态变量 , 根据系统的稳态方程计算感应电动机的速度 , 实现感应电动机的无速度传感器控制。 制方法相比 , , 通过 性能。最后仿真结果证明了该设计方法的有效性。 关键词 :感应电动机无速度传感器 R of Induction Motor Wang Jiajun Wang Jianzhong Abstract :The model of induction motor was separated into mechanical and electrical parts based on static reference coordinate of stator. According to steady equation , the speed of induction motor was computed with new states. Then sensorless control of induction motor can be realized. Compared with traditional sensorless control method , the scheme avoids computation of rotor slip or rotor flux linkage angle. G ood steady and dy 2 namic performance can be achieved by regulating PI controller. At last simulation results prove the efficiency of the scheme. K eyw ords :induction motor sensorless PI controller 1引言 感应电动机以其坚固、可靠、廉价、高效等优点 , 在工业驱动控制中获得了大量的应用。感应电动机结构简单 , 但其弱点是数学模型复杂 , 状态变量之间的