异步电机无速度传感器矢量控制研究

摘要：选取电压模型为基础，引入参考值补偿策略保证电机在低速运行时可准确测得转子转速。硬件方面设计了由双DSP控制板和两电平逆变器组成的电机控制系统。在TMS320LF2407A和TMS320VC33组成的双DSP控制板中，TMS320VC33的高浮点计算能力解决了编程和计算精度的问题，利用TMS320LF2407A自身的硬件特点实现快速通信、采样等功能。
关键词：异步电机；传感器；矢量控制；磁通观测

1 引言
在高性能的异步电机矢量控制系统中，转速信息的获取必不可少。电机速度信息的辨识方法分为直接法和间接法。前者通过电子式或机电式速度传感器来获取电机速度信息，通常分为M法和T法来进行测速；后者通过测量电机的定子电流、定子电压等信号，根据电机的模型间接估计辨识电机的转速信息。然而由于速度传感器的安装给系统带来了如成本增加，易受干扰，适应性差，加大电机体积和轴向尺寸等问题，因此对无速度传感器转速估算方法的研究成为高性能交流调速的主要发展方向。使用无速度传感器控制方案，无需速度检测硬件，避免了速度传感器带来的诸多问题，提高了系统可靠性，降低了系统成本，同时，减小了系统体积和重量，减少了电机与控制器的连线，使采用无速度传感器的交流电机调速系统在工程中的应用更广泛。

2 控制原理
异步电机是一种多输入、多输出、非线性、强耦合系统，其稳态转矩表达式为：
Te=KITφmI2cosφ2 (1)
式中：KIT为与电机参数有关的常数；φm为电机气隙磁通有效值；I2cosφ2为电机转子电流有功分量。
由式(1)可见，感应电机的Te与定子电流无直接关系，并且电机的三相定子电流既要产生电机中的旋转磁场，又要产生电磁转矩，定子电流的激磁分量和转矩分量又与电机的设计情况和负载有关，很难将两者区分开。考虑到电机的动态过程，情况将更加复杂，因此异步电机要想将励磁电流和转矩电流分开比较困难，而矢量控制则解决了此问题。
由异步电机的数学模型出发，经过坐标变换，得到转子磁场定向坐标系中的异步电机模型。
定、转子电压、电流方程(标量形式)为：

整理转子d轴电压方程得到转子磁场定向下的磁链模型为：

由转子磁场定向磁链模型可见：ψr和定子电流d轴分量isd之间为一阶环节，其时间常数为转子时间常数。在稳态时，ψr的大小完全取决于isd的大小，控制isd即可获得所需的ψr。由式(3)可见，当ψr恒定时，Tem由定子电流q轴分量isq决定。控制isd，isq就可以独立地控制ψr和Tem从而实现二者解耦控制，使控制系统简化。
基于上述交流异步电机的无速度传感器矢量控制框图如图1所示。

图中检测的电机电流经过3／2变换，变换后isα，isβ为α，β坐标系下的电机定子电流。同时逆变器发出的电压usα，usβ进入磁链观测模块，isα，isβ同时进入旋转坐标变换模块得到同步旋转d，q坐标系下的电机定子电流isd，isq。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。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经减法器计算出转子转速再经过低通滤波器(LPF)滤波得到估计的转子转速与给定转速ωr*经过减法器，再经过速度控制器输出指令电机转矩经过转矩电流计算模块，计算出isq*。ψr*经过磁场计算模块计算出给定的电机磁场电流isd*。isq*与检测的电机力矩电流isq进入减法器，再经电流控制器产生给定的电机力矩电压。isd*与检测的电机磁场电流isd进入减法器，再经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，通过电压变换模块，施加到三相感应电机上。
根据上述分析，要想实现转子磁场定向控制，必须知道转子磁链；另外由转速计算公式可知，要想计算转速，也必须观测磁链，知道了磁链角度就可计算同步频率和转矩电流，用转矩电流和转子磁链幅值可计算滑差频率，同步频率减去滑差频率就可得到转速。因此，要实现无速度传感器矢量控制，首先要准确观测磁链。

3 磁链观测
静止坐标系中的电压型转子磁链模型为：

电压模型可以根据加在电机上的电压与电机电流经过积分计算估计出转子磁链。该模型框图如图2所示。

电压型转子磁链观测模型高速性能较好，但在低速时因为电机产生的反电动势较小，检测信号的信噪比较低，在此基础上计算得到的转子磁链不太准确，而且存在积分器漂移问题。
该问题解决方案为将输出结果再通过一个高通滤波器s／(s+ωc)将低频成份和直流漂移滤掉。

式中：ωc为截止频率；x为系统输入；y为系统输出；1／s为纯积分环节。
由式(8)可知，纯积分和一阶高通滤波的组合可等效为一阶惯性环节。但高通滤波器的引入带来了磁链检测的幅值和相位的误差。为了补偿磁链的幅值和相位变化，同时还要使积分稳定，在此采用了以下改进方法。