异步电机无速度传感器矢量控制系统研究

对于高性能的磁场定向控制系统，速度闭环是必不可少的，转速闭环需要实时的电机转速，目前速度反馈量的检测多是采用光电脉冲编码器、旋转变压器或测速发电机。但是，许多场合下不允许安装任何速度传感器，此外安装速度传感器在一定程度上降低了系统的可靠性。因此，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。无速度传感器磁场定向矢量控制技术的核心是如何准确的获取磁场定向角以及电机的转速信息。2000年，日本电气学会调查了日本各大电气公司生产的无速度传感器控制的通用变频器，把无速度传感器控制方式分为4类：定子电流转矩分量误差补偿法；感应电动势计算法；模型参考自适应(MRAS)法；转子磁链角速度计算法。其中感应电动势计算法和转子磁链角速度计算法是基于电机数学模型来计算转速，属于开环计算转速，转速计算的精确度容易受到干扰，而定子电流转矩分量误差补偿法与MRAS法是基于闭环控制作用构造转速，可以抑制这种干扰。定子电流转矩分量误差补偿法结构简单，已在一些变频器产品中得到应用，但所产生的动态转速准确性欠佳。MRAS法则基于转子磁链观测电压模型与电流模型构造转速辨识模型，算法简单，能实时跟踪电机转速变化。在此结合应用SVPWM技术构建了转子磁场定向无速度传感器矢量控制系统，采用MRAS法得到转子转速辨识模型，对速度进行估算。利用Matlab／Simulink对系统进行仿真，以验证所设计的控制系统的性能。

l异步电机转子磁链及转子转速的估算
1．1 转子磁链的估算
在转子磁场定向异步电机元速度传感器矢量控制系统中，转子磁链难以直接测量。实际采用的是其观测值，只有当观测值与实际值相等时，才能达到矢量控制的有效性。因此，准确的获得转子磁链值是实现矢量控制的关键。
按转子磁场定向异步电机数学模型可推导出磁链的计算公式如下(推导过程略)，其中磁链的估算包括其幅值和角度。

式中：ψr为转子磁链；ωs为转差角速度；ωr为转子转速；isd，isq为定子d，q轴电流；Tr为转子时间常数，Tr=Lr／Rr，Lm为定转子互感；Lr为转子电感；Rr为转子电阻；θ为磁链角度，P=du／dt。
1．2 转子转速的估算
采用MRAS方法对转子转速进行估计。基本思想是：在异步电机两相静止坐标系下，以不含有转速变量的转子磁链观测电压模型为参考模型，含有转速变量的转子磁链观测电流模型为可调模型，利用波波夫超稳定性理论设计自适应辨识规律，从而实现对转子转速进行估计。异步电机两相静止α，β坐标系下转子磁链观测模型如下两式所示：

式(2)不含有转速变量，作为参考模型，式(3)含有转速变量作为可调模型。在设计模型参考自适应律时，将电流模型转速变量看成常数作为参考模型，式(3)作为并联估计模型：从而得到误差方程：