无速度传感器的高性能异步电动机调速系统

范钦德 杜耀武

范钦德先生，上海电器科学研究所(集团)有限公司研究员级高级工程师；

杜耀武先生，上海格立特电力电子有限公司工学博士。

关键词：无速度传感器 矢量控制 磁链观测

目前广泛使用的通用变频器多为VVVF控制的开环系统，明显地存在转矩小、低速性能差、稳态精确度低、动态性能(加减速性能和负载抗干扰性能)不理想等缺点。特别是低速时由于定子压降和死区电压误差的存在，使系统性能受到严重影响，甚至发生不稳定现象。而在高性能的交流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。这样，由于速度传感器的安装会给系统带来一些问题：如安装的精确度将影响测速的精确度，并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，在恶劣环境下，速度传感器工作的精确度易受环境的影响。另外，因必须安装速度传感器，对推广应用也将造成一定的影响。

作为高性能通用变频器发展方向的无速度传感器矢量控制通用变频器就是解决上述缺点而提出的现实问题。其根本目的是在保持通用变频器方便、可靠等优点的前提下，不增加硬件成本，无需速度传感器，其性能却接近带速度反馈的矢量控制系统。

无速度传感器矢量控制的核心问题是对电机磁链的观测和转子的速度进行估计，控制系统性能好坏将取决于合理的控制方案与速度辨识环节的恰当结合。上世纪70年代末国外就已经开展了此项的研究。目前较典型的估计算法有：利用电机方程式直接计算法；模型参考自适应法；扩展卡尔曼滤波法；定子侧电量FFT分析法；非线性方法。但这些方法大多从理想条件下的电机数学模型出发，在不同程度上依赖于电机的参数和运行状态。当电机参数变化时，系统控制性能变差而且有些方法过于复杂，给具体方案的实现带来了很大的困难。基于电机磁链观测的转子速度估计方法计算简便，工程上易于实现，许多高性能无速度传感器矢量控制均采用该方法。

本调速系统基于一种电机磁链混合观测模型，设计了一种无速度传感器的控制方案，实现速度闭环控制。该方法简单实用，在整个速度范围内达到了良好的性能。

一 控制原理

矢量控制技术得以有效实现的基础在于异步电机磁链信息的准确获取。为进行磁场定向和磁场反

馈控制，需要知道磁通的大小和位置。传统磁链观测方法有电压模型法、电流模型法两种。

1. 电压模型法

电压模型法是根据定子电流和电压检测值估算转子磁链yr，由定子电压方程和磁链方程易推导出电机反电动势：

e=

Lrd

(Us−Rs⋅is-σLsis) (1)

dtLm

Ψr电压模型＝∫edt

(2)

式中，e：电机反电动势；Lr：电机转子电感；Lm：电机定转子互感；Rs：电机定子电阻；Ls：电

机定子电感；σ：电机漏感系数；is：电机定子电流；Us：电机定子电压；Ψr电压模型：转子磁链。 电压模型法的优点是算法简单；算法中不含转子电阻，因此受电机参数变化影响小；不需转速信息。它的缺点是：(1)低速时，随着定子电阻压降作用明显，测量误差淹没了反电动势，使得观测精确度较低；(2)纯积分环节的误差积累和漂移问题严重，可能导致系统失稳。

2. 电流模型法

电流模型法是根据定子电流和转速检测值估算转子磁链ψr，在同步旋转d-q坐标系下，电机转子磁链方程如下：

Lm

isd (3) 1+τrpLisq

ωsl=m (4)

τrΨrd

ψrd=

θ=∫(ω+ωst)dt (5) 式中，τr：转子时间常数；isd, isq：d-q坐标系下的定子电流；ψrd：d-q坐标系下转子磁链；ωsl：滑差频率；ω：电机转速；θ：转子磁链角；p：微分算子。

电流模型法使用了转速ω作为其输入信息，另外，它还涉及到时变特性显著的参数，即转子时间常数τr。当电机的运行温度发生变化或磁路出现饱和时，τr变动范围较大，常需进行实时辨识才能保证磁链观测精确度。但由于电流模型法不涉及纯积分项，其观测值是渐近收敛的，这是它的一大优点，同时低速的观测性能强于电压模型法，但高速时不如后者。

3. 改进电压模型法

在结合电压模型法、电流模型法的优点，弥补其不足的基础上，采用了独特的改进电压模型法。考虑到电压模型和电流模型的各自特点，将两者结合起来使用，即在高速时让电压模型起作用，通过低通滤波器将电流模型的观测值滤掉；在低速时让电流模型起作用，通过高通滤波器将电压模型观测值滤掉，这样磁链观测值在高速和低速时都有较高的精确度。为了实现两模型的平滑过渡，可令它们的转折频率相等，转折频率可在实践中进行调整。

混合模型的磁链计算公式为：

sω⎧

Ψ=Ψ+Ψ⎪⎪rαs+ωrα(电压模型)s+ωrα(电压模型)

(6) ⎨

ω⎪Ψ=sΨ+Ψrα⎪s+ωrβ(电压模型)s+ωrβ(电压模型)⎩

式中，ω：滤波器的转折频率。

改进电压模型法原理如图1所示。由电机电压us和电流is计算出反电势er，反电势er经过积分和高

通滤波器得到电压模型的转子磁链ψrHpf。d-q坐标系下电机电流isd经电流模型计算后得到转子磁链ψr*，转子磁链ψr*经过低通滤波器计算电流模型的转子磁链ψrLpf。ψrHpf和ψrLpf由加法器相加，经极坐标变换

^

后得到转子磁链Ψr和磁链角θψr供矢量控制使用。

4. 无速度传感器的速度辨识

无速度传感器矢量控制系统的转速是根据磁链观测模型观测出的磁链进行估计。 由磁链矢量关系可知，同步旋转速度ωs可由式7计算

ωs=

ΨpΨsβΨsα−ΨsαΨsβdd

θs=[arctgsβ]= (7) 22dtdtΨsαΨsα+Ψsβ滑差频率的计算公式在不同的参考坐标系下有不同的表达形式。在转子磁场定向控制中：

ωsl=

Lmisq

τrΨrd

(8)

则辨识的转子转速为：

ωr=ωs-ωsl (9)

二 系统实现

基于上述改进磁链观测模型的交流异步电机的无速度传感器矢量控制的控制框图如图2所示，下面对图2的信号流程加以说明。

检测的电机电流经过3/2变换，变换后isa，isb为a-b坐标系下的电机定子电流。同时，逆变器发出的电压Usa，Usb进入磁链观测模块，isa，isb同时进入旋转坐标变换模块，得到isd，isq为同步旋转d-q坐标系下的电机定子电流。磁场电流isd进入磁链观测模块。通过磁链观测模块的计算，得到估计的电机同步转速ωs。给定磁链ψr*和给定的电机力矩电流isq*进入滑差计算模块，得到滑差转速ωsl*，电机同步转速ωs和滑差转速ωsl*经减法器计算出转子转速，再经过低通滤波器滤波，得到估计的转子转速。估计的转子转速与给定转速经过减法器，再经过速度控制器，速度控制器输出指令电机转矩，指令电机转矩经过转矩电流计算模块，计算出给定的电机力矩电流；指令磁链ψr*经过磁场计算模块，计算出给定的电机磁场电流。给定的电机力矩电流与检测的电机力矩电流进入减法器，再经过电流控制器，产生给定的电机力矩电压；给定的电机磁场电流与检测的电机磁场电流进入减法器，再经过电流控制器，产生给定的电机磁场电压。给定的电机力矩电压和给定的电机磁场电压分别加上补偿电压，进入旋转变换模块，然后通过电压变换模块，施加到三相感应电机上。

该控制方案采用德州仪器公司高性能数字信号处理器(TMS320F2806)实现，它是一款专为高性能电机控制的芯片，运算速度高达100MIPS，能满足实时控制的要求。

三 试验结果

为验证控制方案的性能，在转矩转速实验台上进行了电机低速运行试验和速度控制精确度试验。 试验电机参数：

额定功率：5.5kW 额定电流：11.2A 额定电压：380V 额定转速：1430r/min 定子电阻：0.60Ω 转子电阻：0.55Ω 定子电感：128.0mh 转子电感：128.0mh 互感：123.0mh

1. 电机低速运行试验

采用无速度传感器的矢量控制，对实验电机进行了低速力矩测试，图3是0.5Hz空载时的电流波形，此时电机转速18.5r/min，图4是0.5Hz 100%负载时的电流波形，此时电机转速是17r/min。从实验中可以看到，无论空载还是满载，电流波形正弦度良好，电机运行平稳。

2. 速度控制精确度试验

采用无PG反馈矢量控制，对实验电机在0.5～40Hz的频率范围进行控制，测试速度控制精确度，实验结果如表1所示。

由表1可见，无论是低速还是高速，速度控制误差都在电机额定转速的0.5%之内。

四 产品化及产品应用领域与实例

1. 产品化

本调速系统的无速度传感器矢量控制方案，采用混合磁链观测模型，结合了传统电压模型法和电流模型法的优点，在高速和低速范围内都能准确地观测磁链。方案基于高性能数字信号处理器TMS320F2806，通过试验验证了该方案有较好的控制性能，并达到了产品化的程度。某公司已采用此方案，试生产了近百台矢量控制变频器，此变频器具有：有速度传感器矢量控制、无速度传感器矢量控制及VVVF控制等3种控制模式。适配异步电机的功率范围从0.75～75KW。

2. 应用领域

本矢量控制变频器主要用于负载需要高性能控制的领域，如高速造纸机、拉丝机、注塑机、机床设备、化纤装置、电梯以及位势负载：如起重设备、提升机、立体车库等。也适用于一般通用变频器使用的领域：如传送负载(纺织机械、低速造纸机械、螺杆输出装置、冶金及玻璃加工辊道、各种传送皮带)以及风机/水泵负载(锅炉系统、空调系统、污水处理装置、化工装置、染整装置、供水及输送装置)，使负载的控制性能更完整。

3. 应用实例

本矢量控制变频器自去年底投放市场，以优异的性能、良好的可靠性能以及相对进口同类变频器较高的性价比，受到了用户的好评。例如：本矢量控制变频器应用于台州某机器厂的数控机床主轴控制系统中，电机的功率为5.5kW，原来使用进口的变频器，由于出现故障，改用本矢量控制变频器。数控机床主轴驱动要求起动转矩大、加减速时间短。一般通用的VVVF变频器在应用中经常出现过流、过压等故障，不能正常工作。本矢量控制变频器应用于无速度传感器矢量控制方式，使用结果为2s时间内，电机频率由0升至100Hz，运行平稳，达到了用户的工艺要求。

（全文完）

来源：《世界仪表与自动化》

出版日期：2006年12月