高壓變頻器無速度傳感器矢量控制轉(zhuǎn)速辨識

摘要：針對級聯(lián)高壓變頻器異步電機無速度傳感器矢量控制，研究了一種基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)來辨識異步電機轉(zhuǎn)速的方案。仿真和實驗結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)速辨識方案結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，能準(zhǔn)確地估計電機的磁鏈和轉(zhuǎn)速。
關(guān)鍵詞：變頻器；異步電機；無速度傳感器；轉(zhuǎn)速辨識

1 引言
    級聯(lián)高壓變頻器廣泛應(yīng)用于大功率風(fēng)機、泵類的起動與變頻調(diào)速，且節(jié)能效果明顯。然而為了滿足高性能的調(diào)速需要，具有優(yōu)良控制性能的矢量控制級聯(lián)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的理論和應(yīng)用技術(shù)研究逐漸成為廣泛關(guān)注的熱點。要實現(xiàn)高壓變頻器的矢量控制，必須對速度進行閉環(huán)控制，但速度傳感器的安裝、維護、非線性和低速性能等方面的問題，影響了高壓異步電動機調(diào)速性能的簡單性、廉價性和可靠性。因此，無速度傳感器矢量控制已成為交流傳動領(lǐng)域重要的研究課題。
    至于異步電動機轉(zhuǎn)速辨識，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多轉(zhuǎn)速辨識方法。由于應(yīng)用MRAS方法原理簡單，易于實現(xiàn)，在無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
    傳統(tǒng)MRAS算法分別以兩相靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型為參考模型和可調(diào)模型。通過調(diào)節(jié)可調(diào)模型中所需辨識的轉(zhuǎn)速值，使兩模型所計算的磁鏈差值趨于零，從而辨識電機轉(zhuǎn)速。但此速度辨識方法易受采樣電壓電流直流偏移的影響，實際應(yīng)用中穩(wěn)定性較差。基于此，以改進型轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型為參考模型，以兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型為可調(diào)模型，通過對兩模型計算的轉(zhuǎn)子磁鏈角度差進行PI調(diào)節(jié)來辨識異步電動機的轉(zhuǎn)速。最后基于此轉(zhuǎn)速辨識算法，分別在Matlab仿真軟件和以TMS320F28335型DSP芯片為核心的級聯(lián)高壓變頻器異步電機實驗平臺上完成了仿真和實驗。通過仿真和實驗表明，該MRAS轉(zhuǎn)速辨識方案應(yīng)用在級聯(lián)高壓變頻器異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，而且能準(zhǔn)確地估計電機磁鏈及轉(zhuǎn)速。

2 級聯(lián)高壓變頻器電路結(jié)構(gòu)
    級聯(lián)高壓變頻器主電路如圖1所示。該電路由于結(jié)構(gòu)和控制方法都易于向更多電平數(shù)擴展，故已成為目前最受關(guān)注的多電平電路形式。其主要特點有：①電機側(cè)逆變單元采用H橋級聯(lián)方式，使用低壓器件實現(xiàn)高壓輸出。由于各功率單元結(jié)構(gòu)相同，易于模塊化設(shè)計和封裝；②直流側(cè)采用獨立電源供電，無需箝位器件，也不存在電壓均衡問題；③采用級聯(lián)方式，分別對每一單元進行PWM控制，保障了裝置的可靠運行，結(jié)合現(xiàn)代交流電機的高性能控制算法，可實現(xiàn)在多種場合下的應(yīng)用。采用低壓變頻器級聯(lián)構(gòu)成高壓變頻器的功率器件可采用晶閘管或可關(guān)斷器件，選擇余地較大。特別是隨著GTO，IGBT的成熟應(yīng)用和IGCT等新型全控型器件的出現(xiàn)，以及以DSP為核心的高性能數(shù)字控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，級聯(lián)高壓變頻器得到了廣泛應(yīng)用。

3 基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下MRAS速度估算
3．1 改進型轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型
    異步電機在兩相α，β坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子磁鏈電壓方程為：
   
    式中：ψrα，ψrβ為轉(zhuǎn)子磁鏈在α，β軸上的磁鏈分量；Rs為定子電阻；Lm為互感；Ls為定子每相繞組的等效自感；Lr為轉(zhuǎn)子每相繞組的等效自感；usα，usβ，isα，isβ為定子電壓、電流在α，β軸上的電壓、電流分量；σ為漏磁系數(shù)。
    由式(1)可知，轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型中不包含轉(zhuǎn)子電阻Rr，因此受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響較小。但電壓模型中包含積分環(huán)節(jié)，磁鏈計算受采樣電壓電流直流偏移影響較大。將純積分環(huán)節(jié)替換為一階低通濾波環(huán)節(jié)，可有效消除積分初始值引起的輸出誤差，但對于輸入直流偏置，卻無能為力。在此將參考磁鏈?zhǔn)噶拷?jīng)低通濾波后用以補償?shù)屯V波環(huán)節(jié)引入的相位滯后，并且將濾波器的時間常數(shù)取為轉(zhuǎn)子勵磁時間常數(shù)，還可削弱Rs的變化引起的偏差。模型如圖2所示。

    圖2中，截止頻率ωc取為轉(zhuǎn)子勵磁時間常數(shù)Tr的倒數(shù)。

3．2 轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型
    基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型為：
   
    式中：ωs為轉(zhuǎn)子角速度；ωs為轉(zhuǎn)差角頻率；ism，ist為定子電流m，t軸的分量；p為微分算子。
    轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度：ω=ωr+ωs，轉(zhuǎn)子磁鏈位置?；赿，q坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型如圖3所示。

3．3 轉(zhuǎn)速辨識
    圖4為MRAS轉(zhuǎn)速辨識結(jié)構(gòu)圖。轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型和電流模型比較的是同一狀態(tài)變量，即轉(zhuǎn)子磁鏈角度。認(rèn)為電壓磁鏈模型估計的轉(zhuǎn)子磁鏈角度真實而又準(zhǔn)確。如果電流模型計算的轉(zhuǎn)子磁鏈角度與電壓模型確定的相同，那么轉(zhuǎn)速辨識準(zhǔn)確。圖4所示的轉(zhuǎn)速估算方法就是對電壓模型與電流模型的轉(zhuǎn)子磁鏈角度差進行PI控制，從而辨識出電機轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子角速度辨識公式為：
   

4 仿真分析
    為證實理論與分析，利用Matlab／Simulink搭建了級聯(lián)逆變器異步電機無速度傳感器矢量控制仿真模型。該系統(tǒng)中異步電機模型的主要參數(shù)：Rs=87 mΩ，Rr=228 mΩ，Lσs=Lσr=0．8 mH，Lm=34．7 mH，np=2，J=1．662 kg·m2。級聯(lián)的各單元母線電壓Udc=180 V，每相三級功率模塊串聯(lián)。

    圖5為給定轉(zhuǎn)速分別為100 rad·s-1，120 rad·s-1時電機空載啟動到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的實際轉(zhuǎn)速與辨識轉(zhuǎn)速仿真波形。

    由仿真結(jié)果可見，將所研究的改進型MRAS轉(zhuǎn)速辨識方案應(yīng)用在級聯(lián)逆變器異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中，能準(zhǔn)確地辨識出電機的轉(zhuǎn)速，并且具有較高的辨識精度。

5 實驗結(jié)果
    為了驗證所研究的MRAS轉(zhuǎn)速辨識方案，在6 kV級聯(lián)高壓變頻器異步電機無速度傳感器矢量控制實驗平臺上進行了實驗，實驗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。級聯(lián)的功率單元數(shù)為6級，各單元母線電壓為810 V。實驗用異步電機型號為Y-500-3-4，參數(shù)如下：1 250 kW，6 kV，星形接法，1 488 r·min-1，50 Hz，給定磁通8 Wb，Rs=225 mΩ，Rr=749 mΩ，Lσs=Lσr=7．1 mH，Lm=371．1 mH。

    圖7為給定轉(zhuǎn)速先為157 rad·s-1，待電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后變?yōu)?0 rad·s-1，電機空載啟動到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速辨識波形(波形由主控D／A通道口輸出至錄波儀，500 Hz濾波)。由實驗波形可知，動態(tài)時轉(zhuǎn)速辨識準(zhǔn)確。

6 結(jié)論
    研究了一種基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的改進型MRAS轉(zhuǎn)速辨識方案，應(yīng)用在級聯(lián)高壓變頻器異步電機無速度傳感器矢量控制中，省去了速度傳感器的安裝、維護以及一些工業(yè)場所不易安裝等問題，并且較傳統(tǒng)的基于兩相靜止坐標(biāo)系下的MRAS轉(zhuǎn)速辨識方法有了很大改進。仿真和實驗結(jié)果表明，該改進型MRAS轉(zhuǎn)速辨識方法應(yīng)用在級聯(lián)高壓變頻器異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中，能較好地估計電機的磁鏈及轉(zhuǎn)速，是一種結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，可靠性高的轉(zhuǎn)速辨識方案。