基于低頻信號注入方法實(shí)現(xiàn)極低速段異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制

1 、引言

近年來，異步電機(jī)的無速度傳感器矢量控制成為研究熱點(diǎn)。目前，異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制在中高速段已獲得良好的控制性能，但在極低速段（＜1Hz）卻仍未實(shí)現(xiàn)良好的控制。這是因?yàn)槌Ｓ玫漠惒诫姍C(jī)無速度傳感器矢量控制方法需要利用反電勢，而反電勢在極低速時(shí)很小，受采樣精度和電機(jī)參數(shù)變化影響較大，導(dǎo)致控制性能降低，無法實(shí)現(xiàn)極低速段的無速度傳感器矢量控制。

為了實(shí)現(xiàn)極低速段的異步電機(jī)無速度傳感器控制，研究人員提出了各種控制方法。其中研究較多的是高頻信號注入法，利用注入的高頻定子電壓信號產(chǎn)生的電流響應(yīng)來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置-。這些基于高頻信號注入的方法都利用了異步電機(jī)的非理想特性，如轉(zhuǎn)子凸極、齒槽效應(yīng)及飽和效應(yīng)等。但是，這些基于高頻信號注入的方法存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即高頻響應(yīng)信號常常與其他高頻諧波混合在一起，較難分離。需要采用復(fù)雜的信號處理方法獲得所需高頻響應(yīng)信號，從而降低了系統(tǒng)響應(yīng)速度，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外，由于基于高頻信號注入的方法利用了異步電機(jī)的非理想特性，因此受電機(jī)結(jié)構(gòu)影響較大，缺乏一定的通用性。

為避免上述高頻信號注入法所固有的各種問題，本文提出了一種基于低頻信號注入的方法。該方法將文獻(xiàn)中的高頻諧波信號變?yōu)榈皖l諧波信號，通過注入低頻d軸定子電流信號，利用產(chǎn)生的角度誤差估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速。該方法僅利用異步電機(jī)的基波模型，不依賴各種非理想特性，所以不受異步電機(jī)結(jié)構(gòu)影響，具有普遍的適用性。此外，該方法所需低頻響應(yīng)信號容易分離，消除了高頻信號注入法信號分離難的缺點(diǎn)，而且對電機(jī)參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性，無須進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，使得控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文提出的基于低頻信號注入的方法可以很好地實(shí)現(xiàn)極低速段異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制。

2 、低頻信號注入法原理

由異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及運(yùn)動方程可知，異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

3 、電機(jī)參數(shù)魯棒性分析

由上述分析可知，本文提出的低頻信號注入法僅與注入信號及其引起的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)有關(guān)，而與異步電機(jī)的定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，因此對定轉(zhuǎn)子電阻有很好的魯棒性。

此外，由于在滑差轉(zhuǎn)速計(jì)算中用到了轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，因此的變化會影響到估計(jì)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確性。盡管如此，由于在同步轉(zhuǎn)速估計(jì)中并未用到轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，所以的變化對轉(zhuǎn)子磁鏈角度的估計(jì)沒有影響。因此，本文的方法對轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)也具有良好的魯棒性。

由于對異步電機(jī)參數(shù)具有較好的魯棒性，本文提出的方法很好地消除了參數(shù)變化對極低速性能的影響。同時(shí)，由于無需進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，控制算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都得到大大簡化。

4 、仿真結(jié)果

本文對提出的低頻信號注入法進(jìn)行了仿真，所用的電機(jī)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)電機(jī)參數(shù)，令注入的低頻d軸定子電流信號的頻率為25Hz，幅值為0.6倍額定d軸定子電流。

表1異步電機(jī)參數(shù)

圖4 60%額定負(fù)載，參考轉(zhuǎn)速突變0.1Hz-＞-0.1Hz

圖3為異步電機(jī)0.3Hz空載運(yùn)行時(shí)突然由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的仿真波形。

圖4為異步電機(jī)0.1Hz帶60%額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)突然由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的仿真波形。從圖3、圖4中可以看出，不管是否帶載，轉(zhuǎn)速突變后系統(tǒng)都能夠很快恢復(fù)穩(wěn)定，且穩(wěn)態(tài)誤差較小。

圖5參考轉(zhuǎn)速0.1Hz，負(fù)載突變0-＞60%Tn

圖5為異步電機(jī)0.1hz運(yùn)行時(shí)由空載突變到帶60%額定負(fù)載的仿真波形。從圖中可以看出，負(fù)載突變后系統(tǒng)能夠很快恢復(fù)穩(wěn)定，且穩(wěn)態(tài)誤差較小。

本文還將提出的低頻信號注入法與電壓模型法相結(jié)合，轉(zhuǎn)速低于1Hz時(shí)采用低頻信號注入法，反之采用電壓模型法。圖6為帶60%額定負(fù)載，在兩種方法之間切換時(shí)的異步電機(jī)加減速仿真波形。從圖中可以看出該方法具有良好的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能，可實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的寬范圍準(zhǔn)確調(diào)速。

圖6 60%額定負(fù)載，參考轉(zhuǎn)速0.1Hz-＞10Hz-＞0.1Hz

5、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文對提出的低頻信號注入法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)采用基于DSPTMS320C31的實(shí)驗(yàn)平臺，所用電機(jī)參數(shù)及注入信號與仿真中一致。

圖7空載，參考轉(zhuǎn)速0.3Hz

圖7為異步電機(jī)0.3hz下空載運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)波形。從圖中可以看出，估計(jì)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差較小，僅有較小脈動。

圖8空載，參考轉(zhuǎn)速突變-0.3Hz-＞0.3Hz

圖8為異步電機(jī)極低速空載運(yùn)行時(shí)突然由反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)波形。從圖中可以看出，參考轉(zhuǎn)速突變后，實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠較快恢復(fù)穩(wěn)定，且穩(wěn)態(tài)誤差較小。

6 、結(jié)論

本文提出了一種基于低頻信號注入法的極低速異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制方法。經(jīng)過理論分析及仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的方法可獲得良好的極低速段異步電機(jī)控制性能。該方法僅利用異步電機(jī)的基波模型，不依賴各種非理想特性，所以不受異步電機(jī)結(jié)構(gòu)影響，具有普遍的適用性。此外，該方法所需低頻響應(yīng)信號容易分離，而且對電機(jī)參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性，無須進(jìn)行復(fù)雜的信號分離和參數(shù)估計(jì)，使得控制算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單。