感应电动机矢量控制系统的闭环转速估计方法

    刘思华，王英，胡广大

    (1哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001；2大连交通大学，辽宁大连116028)

    摘要：为降低计算量，提高无速度传感器感应电动机的转速估计速度与磁链的定向准确性，基于感应电动机的电流速度模型，设计了一种简单的闭环速度估计方法，用于无速度传感器感应电动机矢量控制系统中的速度估计。实验结果验证了该方法在感应电动机控制系统应用中的有效性。

    关键词：感应电动机；电流速度模型；闭环速度估计；无速度传感器

0引  言

    感应电动机使用维护方便，运行可靠，价格低，因而在工业领域获得了广泛的应用。而在感应电动机的控制策略中，基于无速度传感器的矢量控制技术又得到了大量的研究和使用。在无速度传感器技术中，速度估计的好坏直接影响交流无速度传感器控制系统的性能，近年来成为一个研究热点。

    许多学者采用了多种电机转速辨识方法来尽可能地提高转速估计的精度和速度。基于电压电流的模型参考自适应方法(MRAs)因存在纯积分环节，辨识准确性差，且受定子电阻影响，低速时不稳定。文献[2]提出用高频谐波信号注入法估计速度，可提高低速性能，但受负载影响较大。文献[3]使用神经网络进行转速估计，估计精度高，低速性能好，但神经网络实现复杂的学习算法相当费时，限制了它在实时性要求高的矢量控制系统中的应用。基于卡尔曼滤波器的转速估计方法能够有效地弱随机干扰和测量噪声的影响，但容易受电机参数变化的影响，而且计算量很大。基于以上分析，本文提出了一种简单的速度估计方法，其原理简单，计算量小。对于由于纯积分环节带来的初值和直流漂移等问题，本文采用了一种具有限制幅值作用的经修改的积分器来对磁链进行观测，有效地提高了磁链和速度估计的准确性。

1感应电动机模型

在旋转坐标系下，感应电动机的数学模型为：

R_s、L_s、R_r、L_r、L_m分别为定子电阻、定子电感、转子电阻、转子电感以及互感；i_sd、i_sq、ψ_rd、ψ_rq分别为d、q轴上的定子电流和转子磁链；ω_T为同步转速；ω_r为电机转速；ω_s为转差，ω₁-ω_r=ω_s；σ为电动机漏磁系数

T_r为转子电磁时间常数．

为了在没有电压传感器的条件下估计转子磁链和速度，基于式(1)，可以得到一个静止坐标系(α，β)中的感应电动机电流速度模型：

在该模型中，电机磁链通过对其微分形式的积分来获得，需要的是实测的电流和转速信号。

2闭环磁链和速度估计

在实际应用中要实现一个积分是非常困难的，因为一个开环的积分器通常带来直流漂移和一些初始化问题。本文中的磁链和速度通过一个简单的估计算法来获得，所采用的积分器有一个自反馈环节，这样可以消除开环积分所带来的直流漂移等问题。该改进型积分器的原理框图如图l所示。

图中，积分器的输出由前馈和反馈两部分组成。当输入信号频率远远高于截止频率ω_e时，反馈环节的增益将趋近于零，此时积分器的输出仅由前馈部分组成；当输入信号频率较低时，反馈环节的主要作用就是消除直流漂移问题。假定积分器的输入为x，输出为y，将一个纯直流信号加到输入上，则积分器的****输出为：

只要适当选取限幅

值L，就可以完全消除输出中的直流成分。本文选取

即可满足要求。

将式(2)和式(3)写为如下形式：