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1、圭鋈亲老銎裹栗姜霎2 0 0 6 年学术年会论文集( 电气传动与励磁专委会) 异步电机无速度传感器的几种估算 转速方法的比较和分析 上海大学机电工程与自动化学院邬大为 阮毅 交流感应电机矢量控制系统中，一般用安装在电机轴上的传感器如旋转变压器、磁编码器或光电编 码器等来测量转子速度。传感器的安装使电机的体积增大，成本增加，而且带来了机械安装精度，机械强 度等问题，降低了系统的可靠性，同时失去了交流感应电机结构简单、坚固耐用的优点。而无速度传感器 矢量控制调速技术是将结构简单、成本底的变频调速技术和调速性能好的矢量控制调速技术有机地结合 起来的调速技术。无速度传感器获得转速信号的方法大体可以分为
2、：1 基于电动机数学模型来计算转速 或转差角速度；2 基于闭环控制作用构造转速信号；3 利用电动机结构上的特征产生转速信号。各方法 都有其优缺点，本文对基于电动机数学模型来计算转速和基于闭环控制作用构造转速信号的两种新型的 估算方法和传统的方法进行了对比。 l 基于电动机数学模型来计算转速的新旧方法的对比 ( 1 ) 传统方法计算转速 根据电动机数学模型直接推导电动机的角速度，参考文献中给出的计算公式有 j 一f 。户尘生一i 生户缈。 ，1 、 i 。9 。+ 珏9 带 ”7 如果把电流和磁链都换成定子量： ，。：! ! = 竺二墨：! ! ! ! 坌里生= 些! 坌! 生! 二! ! =
3、蔓二墨! ! 生! ! 妻! 竺= 生! 妻! 竺!f 2 、 ( g t L 。i 。) ( 吼一也，i 。) q - ( 一L ，i 事) ( 一止，i 币) ”7 从( 2 ) 式中不难看出，上述算法比较复杂，计算时需要知道磁链值和多个电机参数，很难运用到实际 应用中。 ( 2 ) 新的转速计算法 异步电机按转子磁链定向的动态数学模型中有： 也丝d t 一一半i 辩+ 正州。+ 矗9 小_ 将，用。一埘，代替，并分离i 的系数，则上式变为 警一壬争。职+ 壬印m 器i 。一五R sz 。一洲。+ 老 再将c t - ，5 季瓷i 代人，得： 警一南盎矗，一箍p 毋R j 老 由于T r
4、= L ，R ，等号右边的第二项和第三项相加为零，上式变为： 监一一砑g mt 职一五R sz*dt a L，飞+ 差 ，L ，17 止，”“。吐 移项得： 一名尝筹琵警 估算转速： 2 叫l 一J 一7 R 一 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) 邬大为，阮毅：异步电机无速度传感器的几种估算转速方法的比较和分析 由( 7 ) 和( 2 ) 式比较，可以看出，新方法的计算要来得简单一点式中电动机的参数也减少了一些，所 以比起旧方法更方便实用。 2 基于闭环控制作用构造转速信号的新旧两种方法的比较 ( 1 ) 比较转子磁链的电压模型和电流模型用P I 控制闭环构造转速 图
5、1比较转子磁链的电压，电漉模型用P I 控制团环构造转速的原理图 磁链的电压模型 x t = 芒 f ( “。一R ，f 。) d r o L ，i ( 8 ) 一芒 J ( 扎事一R ，i 事) d r 一正，i 事 ( 9 ) 磁链的电流模型 吼一赤旺一( o T r X I t 哆( 1 0 ) 2 赢L 一事一I ，n 雪一) ( 1 1 ) 无论是电压模型还是电流模型，转子磁链的幅值都是： a , = 蜕+ 姊 ( 1 2 ) 取凯和缈。的误差进行P I 调节，可以采用幅值误差，也可以采用d q 坐标向量的广义误差，即 P = 哆k 9 树一! 9 哟 ( 1 3 ) 在传统的方法中
6、，状态变量的差分与估计转速的误差关系不明确，另外，这种方法使无速度传感器矢 量控制在动态时性能不太好。 ( 2 ) 新的M A R C 法构造转速 磁链的电压模型 吼= 每，( “d 一即d ) d t - - a L 儿 ( 1 4 ) = _ ( “哥一R | f _ ) 出一正f _ ( 1 5 ) 由电流模型变换可得： 乙一产( + 山，T ，妒一十L 户缈耐) ( 1 6 ) 1 i _ 一_ 1 ( 赈+ 山，T ，9 耐+ T r 户缈呵) ( 1 7 ) 定子电流的估算值用估算转速可以表示为： = 产( + ，T ，9 ，十T p x I t 一) ( 1 8 ) i _ 一产
7、( + c c J ，T ，缈，d + 丁r p 9 1 ) ( 1 9 ) 从实际定子电流和估算定子电流的关系可以得出定子电流的差分： 屯一屯一r - LF 缈w ( o J ，一叫，) ( 2 0 ) i 一一i 目= i ；缈耐( 叫，一，) ( 2 1 ) 一7 9 圭粪幂毫孥裹粟差叁2 0 0 6 年学术年会论文集( 电气传动与励磁专委会) 如果把上面两式的两端乘以转子磁通，再相加可以得到如下等式： ( i a 一匕) + ( 一) = ( 阱一) ( 蚂+ 赡) 变换得： 7 一，2j = x 面赫 ( i 一一i d ) + ( i q 一一) 蛎 如图2 所示，是实现此方法的结
8、构框图： i 一 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 图2自适应调解的新方法的结构图 其他的P I 调解都是用电流或者磁链等变量的差分构造出估算转速，而此方法的好处就是估算转速 和实际转速的差分来构造估算转速，也就是用P I 调解使得转速无静差。这样使得调解转速来得更直接， 估算转速变得更准确，动态响应也更快一些。 3 仿真结果比较 图3 基于电动机数学模型来计算转速新方法的波形 一8 0 一 以 ( a ) 转矩电流 图4比较转子磁链的电压模型和电流模型用P I 控翩闭环构造转速的波形 李武君，阮毅：异步电机直接转矩控制系统中的定子磁链观测模型 图5 新的M A R C 法构造转速的泼形 如图3
9、 ，4 ，5 ，从各方法的转矩电流和转速波形的比较中，我们可以看出基于电动机数学模型来计算转 速新方法的动态响应比较好，转矩电流和转速跟随很快；比较转子磁链的电压模型和电流模型用P I 控制 闭环构造转速的动态响应振荡比较厉害，转速在动态到稳态时的波动时间比较长；新的M A R C 法构造转 速的动态响应跟比较转子磁链的电压模型和电流模型用P I 控制闭环构造转速的方法比要好很多，转速 跟随也比较快，但是转矩电流和转速都略有超调现象。 4 结论 ， 本文给出的基于电动机数学模型来计算转速新方法比起传统的方法计算要简便，宜于以后在实际运 用中实现。本文还通过仿真发现，基于电动机数学模型来计算转速
10、新方法的动态响应比较好的，稳定也 很快，接近于有速度反馈；但计算中有微分环节，在实际系统中，电机参数精度对其影响会比较大。而新 的M A R S 法构造转速的方法比经典的转速构造法，在动态性能方面有了很大提升，但还是略有超调，需要 继续改进。 异步电机直接转矩控制系统中的定子磁链观测模型 上海大学机电工程与自动化学院李武君 阮毅 直接转矩控制( D T C ) 的基本思想就是同时控制电机的定子磁链和电磁转矩，因此定子磁链观测是直 接转矩控制中至关重要的一环。进行定子磁链观测的时候，无论是定子磁链幅值或是相位观测的准确性 都将影响电压状态的正确选择，从而直接影响系统的控制性能。由于直接检测方法存
11、在不少工艺和技术 上的问题受气隙齿谐波磁场的影响，测量误差较大，故现在实用的系统中多采用间接观测的方法，即利用 容易检测的电压，电流或转速，借助异步电机数学模型计算所需磁链的幅值和相位。 l 异步电动机数学模型的基本方程 本文介绍在D T C 直接转矩控制系统中采用空问矢量的数学分析方法按定子磁链分析的交流异步 电机在静止坐标系( 一正交坐标系) 下的等效电路如图1 。 由图1 可知有以下方程式： t ，= R s i ，+ 吼 0 = R ，i ，一册+ j , o 缈， 蛾= L ，i 。 影= 吼一L ，i ， T 一瓦3 n p I 蛾Il 够I 矗加 釉2 。一 () j V 5 峨V | 朱 ( 5 ) 一 I i 日o v ， t 图1异步电机空间矢量等效电路图 一8 1
