對(duì)于高性能的磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)，速度閉環(huán)是必不可少的，轉(zhuǎn)速閉環(huán)需要實(shí)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，目前速度反饋量的檢測(cè)多是采用光電脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或測(cè)速發(fā)電機(jī)。但是，許多場(chǎng)合下不允許安裝任何速度傳感器，此外安裝速度傳感器在一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，無(wú)速度傳感器控制的高性能通用變頻器是當(dāng)前全世界自動(dòng)化技術(shù)和節(jié)能應(yīng)用中受到普遍關(guān)心的產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)課題。無(wú)速度傳感器磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)的核心是如何準(zhǔn)確的獲取磁場(chǎng)定向角以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息。2000年，日本電氣學(xué)會(huì)調(diào)查了日本各大電氣公司生產(chǎn)的無(wú)速度傳感器控制的通用變頻器，把無(wú)速度傳感器控制方式分為4類：定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補(bǔ)償法；感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算法；模型參考自適應(yīng)(MRAS)法；轉(zhuǎn)子磁鏈角速度計(jì)算法。其中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算法和轉(zhuǎn)子磁鏈角速度計(jì)算法是基于電機(jī)數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，屬于開(kāi)環(huán)計(jì)算轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速計(jì)算的精確度容易受到干擾，而定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補(bǔ)償法與MRAS法是基于閉環(huán)控制作用構(gòu)造轉(zhuǎn)速，可以抑制這種干擾。定子電流轉(zhuǎn)矩分量誤差補(bǔ)償法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，已在一些變頻器產(chǎn)品中得到應(yīng)用，但所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確性欠佳。MRAS法則基于轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)電壓模型與電流模型構(gòu)造轉(zhuǎn)速辨識(shí)模型，算法簡(jiǎn)單，能實(shí)時(shí)跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。在此結(jié)合應(yīng)用SVPWM技術(shù)構(gòu)建了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，采用MRAS法得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速辨識(shí)模型，對(duì)速度進(jìn)行估算。利用Matlab／Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的性能。
1 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估算
1．1 轉(zhuǎn)子磁鏈的估算
在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向異步電機(jī)元速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈難以直接測(cè)量。實(shí)際采用的是其觀測(cè)值，只有當(dāng)觀測(cè)值與實(shí)際值相等時(shí)，才能達(dá)到矢量控制的有效性。因此，準(zhǔn)確的獲得轉(zhuǎn)子磁鏈值是實(shí)現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵。
按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型可推導(dǎo)出磁鏈的計(jì)算公式如下(推導(dǎo)過(guò)程略)，其中磁鏈的估算包括其幅值和角度。
式中：ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈；ωs為轉(zhuǎn)差角速度；ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；isd，isq為定子d，q軸電流；Tr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，Tr=Lr／Rr，Lm為定轉(zhuǎn)子互感；Lr為轉(zhuǎn)子電感；Rr為轉(zhuǎn)子電阻；θ為磁鏈角度，P=du／dt。
1．2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估算
采用MRAS方法對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行估計(jì)?；舅枷胧牵涸诋惒诫姍C(jī)兩相靜止坐標(biāo)系下，以不含有轉(zhuǎn)速變量的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)電壓模型為參考模型，含有轉(zhuǎn)速變量的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)電流模型為可調(diào)模型，利用波波夫超穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)自適應(yīng)辨識(shí)規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行估計(jì)。異步電機(jī)兩相靜止α，β坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型如下兩式所示：
式(2)不含有轉(zhuǎn)速變量，作為參考模型，式(3)含有轉(zhuǎn)速變量作為可調(diào)模型。在設(shè)計(jì)模型參考自適應(yīng)律時(shí)，將電流模型轉(zhuǎn)速變量看成常數(shù)作為參考模型，式(3)作為并聯(lián)估計(jì)模型：從而得到誤差方程：
依據(jù)波波夫超穩(wěn)定性理論求解穩(wěn)態(tài)誤差，設(shè)計(jì)出比例加積分的自適應(yīng)律為：
式中：ki，kp為可調(diào)系數(shù)；ω0為給定估算轉(zhuǎn)速初值，可以任意給定，取ω0=0。至此，構(gòu)建出基于模型參考自適應(yīng)方法的轉(zhuǎn)速辨識(shí)模型。
2 仿真模型的建立
異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)如圖1所示，主要包括三相異步電機(jī)模塊，SVPWM模塊，PI模塊，坐標(biāo)變換模塊，轉(zhuǎn)子磁鏈估算模塊，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估算模塊，逆變器模塊等。該系統(tǒng)主電路采用SVPWM調(diào)制逆變器，控制電路中，給定轉(zhuǎn)速與估算轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)速度調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩，與估算磁鏈值計(jì)算得到電流isq，經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過(guò)PARK逆變換得到兩相靜止電壓，經(jīng)過(guò)SVPWM調(diào)制，控制逆變器電壓輸出，進(jìn)而控制三相異步電機(jī)。SVPwM控制的基本思想是將電機(jī)與逆變器看成一個(gè)整體，最終在電機(jī)內(nèi)部形成圓形磁場(chǎng)，以達(dá)到更好的控制效果，SVPWM控制的仿真模型如圖2所示。
異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈依據(jù)式(1)估算，仿真模型如圖3所示。異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估算模型如圖4所示，依據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)電壓模型與電流模型，采用MRAS法辨識(shí)。在仿真調(diào)試過(guò)程中，加入一階傳函近似為低通濾波器，對(duì)輸出估算轉(zhuǎn)速進(jìn)行處理。仿真結(jié)果有明顯的改善。
3 仿真結(jié)果分析
無(wú)速度傳感器矢量控制仿真系統(tǒng)所采用電機(jī)的參數(shù)為：Pn=2．2 kW，Rs=O．435Ω，Rr=O．816Ω，Lm=0．0693H，L1s=L1r=0．002H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=O．02kg·m2，極對(duì)數(shù)Np=1。電機(jī)空載運(yùn)行，初始給定速度為120 rad／s，當(dāng)t=O．5s時(shí)，改變速度為60 rad／s。在啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)t=O.1-2s時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速就達(dá)到了穩(wěn)定，當(dāng)給定速度在t=O．5s時(shí)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速輸出在t=O．56s時(shí)再次達(dá)到穩(wěn)定，仿真結(jié)果如圖5所示。
從仿真結(jié)果圖可以看出該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，能實(shí)時(shí)跟蹤電機(jī)實(shí)際速度的變化。
4 結(jié)語(yǔ)
基于MRAS方法構(gòu)建異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速辨識(shí)模型，與SVPWM技術(shù)相結(jié)合，在Matlab／Sireulink環(huán)境下設(shè)計(jì)出異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速，具有良好的動(dòng)態(tài)性能，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)具有一定的理論指導(dǎo)意義。但在電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)參數(shù)會(huì)隨著運(yùn)行環(huán)境的變化而發(fā)生改變，這時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈與速度的估算就會(huì)不準(zhǔn)確，因而在對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用研究中，有必要對(duì)轉(zhuǎn)子電阻進(jìn)行在線辨識(shí)，從而準(zhǔn)確估算出轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)速。為了提高無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)的性能，對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)是今后研究的一個(gè)方向。
