無速度傳感器矢量控制變頻系統(tǒng)研究

0 引言

矢量控制也稱磁場定向控制。它是上世紀70年代初由德國西門子公司F. Blaschke等人首先提出，以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理。作為異步電機控制的一種方式，矢量控制技術(shù)已成為高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)的首選方案。隨著計算機技術(shù)飛速發(fā)展，功能強大的數(shù)字信號處理器(DSP)的廣泛應用使得矢量控制逐漸走向了實用化。

在高性能的異步電機矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)一般是必不可少的。通常，采用光電碼盤等速度傳感器來進行轉(zhuǎn)速檢測，并反饋轉(zhuǎn)速信號。

但是，由于速度傳感器的安裝給系統(tǒng)帶來一些缺陷使得系統(tǒng)的成本大大增加;精度越高的碼盤價格也越貴;碼盤在電機軸上的安裝存在同心度的問題，安裝不當將影響測速的精度;使電機軸的體積增大，而且給電機的維護帶來一定困難，在惡劣的環(huán)境下，碼盤工作的精度易受環(huán)境的影響。因此，越來越多的學者將眼光投向無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究。

1 轉(zhuǎn)子磁場定向無速度傳感器矢量控制原理

1.1 系統(tǒng)矢量控制原理

所謂無速度傳感器控制系統(tǒng)就是取消了傳統(tǒng)的交流電機調(diào)速系統(tǒng)中的速度檢測裝置，通過檢測定子的電壓電流來間接估算電機運行的實際轉(zhuǎn)速值，將該值作為轉(zhuǎn)速反饋信號。本系統(tǒng)采用電流與電壓相結(jié)合的轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型以及基于異步電機數(shù)學模型的速度估算方法，可得轉(zhuǎn)子磁通位置角，并送至旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)。用霍爾電流傳感器檢測三相輸出的兩相電流iA、iB，計算出第三相電流iC=-(iA+iB)，從而獲得實時的輸出電流信號，亦為電機上的電流信號，為矢量控制的計算提供實時信號。由測得的電流經(jīng)矢量變換得到轉(zhuǎn)矩電流分量iT和勵磁電流分量iM，利用iMref-iM、iTref-iT所產(chǎn)生的電流誤差經(jīng)PI 控制器產(chǎn)生VMref、VTref ，經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換后求出兩相輸出電壓VDref、VQref，進而控制逆變器。圖1是其矢量控制系統(tǒng)框圖。

1.2 異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向基本方程

如果規(guī)定MT 坐標系的M 軸沿著轉(zhuǎn)子磁鏈鬃r的方向，則MT 坐標系就沿轉(zhuǎn)子磁場定向，此時異步電機的電壓方程為

1.3 轉(zhuǎn)子磁鏈位置的估算

在轉(zhuǎn)子磁場定向的無速度傳感器的異步電機控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈估算是至關(guān)重要的一環(huán)。如果轉(zhuǎn)子磁鏈估算不準確，則轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)的優(yōu)點，即實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制將無法實現(xiàn)。根據(jù)兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下異步電機的基本方程，可以得到電流型轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型。

在低頻時，式(7)和式(8)中的定子電壓值變小，定子電阻壓降的偏差對積分結(jié)果的影響增大，因此必須準確檢測定子電阻，但是定子電阻會隨溫度變化，要十分準確地檢測是比較困難的。而對于電流模型來說，電動機在高速運行時，由于電機參數(shù)的偏差，容易引起磁通振蕩。所以，本系統(tǒng)將這兩種方法綜合在一起，以相互彌補高頻和低頻的不足。其運算框圖如圖2所示。

1.4 轉(zhuǎn)速的估算

根據(jù)兩相靜止坐標系下異步電機的基本方程，

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