摘 要：本文提出了一種新型極低速異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制方法。該方法基于低頻信號(hào)注入，通過(guò)注入低頻定子電流信號(hào)，利用產(chǎn)生的角度誤差估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速。該方法不受負(fù)載變化影響，也不依賴(lài)于異步電機(jī)的非理想特性，僅由基波模型就可實(shí)現(xiàn)極低速段的轉(zhuǎn)速估計(jì)，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，該方法還具有較強(qiáng)的電機(jī)參數(shù)魯棒性，不必進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文提出的基于低頻信號(hào)注入的方法可以很好地實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)在極低速段的無(wú)速度傳感器矢量控制。

Abstract: This paper presents a new sensorless vector control method for induction motor （IM） drive at very low speeds. The proposed method is based on low-frequency signal injection, where a low frequency stator current signal is injected and the corresponding angle error is detected to estimate the rotor speed. This new method is independent of the non-ideal features of IM. Just the fundamental model of IM is needed. As a result, the proposed method isn’t affected by IM structures and it can be applied to different IM. Furthermore, this new method is robust to the motor parameters. Therefore no parameter estimation is needed and the control system is simple. Simulations and experimental results prove the good performances of the proposed method on speed sensorless control of IM at very low speeds.

關(guān)鍵詞：低頻信號(hào)注入 異步電機(jī) 無(wú)速度傳感器 矢量控制

Keywords: Low-Frequency Signal Injection, IM, Speed Sensorless, Vector Control

1 引言

　　近年來(lái)，異步電機(jī)的無(wú)速度傳感器矢量控制成為研究熱點(diǎn)。目前，異步電機(jī)無(wú)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(wú)速度傳感器矢量控制方法需要利用反電勢(shì)，而反電勢(shì)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(wú)法實(shí)現(xiàn)極低速段的無(wú)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(wú)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(hào)注入法，利用注入的高頻定子電壓信號(hào)產(chǎn)生的電流響應(yīng)來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置[1]-[5]。這些基于高頻信號(hào)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(hào)注入的方法存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即高頻響應(yīng)信號(hào)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(hào)處理方法獲得所需高頻響應(yīng)信號(hào)，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(hào)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(hào)注入法所固有的各種問(wèn)題，本文提出了一種基于低頻信號(hào)注入的方法。該方法將文獻(xiàn)[5]中的高頻諧波信號(hào)變?yōu)榈皖l諧波信號(hào)，通過(guò)注入低頻d軸定子電流信號(hào)，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(lài)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(hào)容易分離，消除了高頻信號(hào)注入法信號(hào)分離難的缺點(diǎn)，而且對(duì)電機(jī)參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性，無(wú)須進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，使得控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文提出的基于低頻信號(hào)注入的方法可以很好地實(shí)現(xiàn)極低速段異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制。

2 低頻信號(hào)注入法原理

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

圖2  低頻信號(hào)注入法系統(tǒng)控制原理框圖

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(hào)注入法僅與注入信號(hào)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(wú)關(guān)，因此對(duì)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(huì)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(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈角度的估計(jì)沒(méi)有影響。因此，本文的方法對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)也具有良好的魯棒性。

　　由于對(duì)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(duì)極低速性能的影響。同時(shí)，由于無(wú)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(jiǎn)化。

4 仿真結(jié)果

　　本文對(duì)提出的低頻信號(hào)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(hào)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3 空載，參考轉(zhuǎn)速突變0.3Hz->-0.3Hz

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(hào)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(hào)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(dòng)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(duì)提出的低頻信號(hào)注入法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)采用基于DSP TMS320C31的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所用電機(jī)參數(shù)及注入信號(hào)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(dòng)。

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(hào)注入法的極低速異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制方法。經(jīng)過(guò)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(lài)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(hào)容易分離，而且對(duì)電機(jī)參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性，無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)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(duì)簡(jiǎn)單。

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