无位置传感器交流电机动态磁通转矩伺服控制
陈在平(天津理工学院300050)
【摘 要】简述交流电机动态磁通转矩控制的基本工作原理，提出了基于定子磁链比值法的位置观测器以及相应的磁通观测模型。由于这一方案无需进行参数辨识，计算简单，因此适合应用于无位置传感器的交流电机磁通转矩伺服控制。
1 引 言
伺服驱动用感应电动机由于结构简单、价格低廉、维护方便，因此目前在伺服系统中仍获得广泛应用。虽然矢量控制技术的发展使得交流电机伺服系统的控制获得了较好的解决，但由于这种控制技术所进行的各种变换与计算十分复杂，加之电机参数的变化对矢量控制特性的敏感性，因而系统实现这种控制具有一定的难度，而且实际控制效果有时也很难达到理论分析的水平。电机动态磁通转矩控制，它不涉及矢量控制中的各种变换与解耦处理，而是通过在固定坐标系下直接对定子磁通与转矩进行计算、估计，实现电机磁通与转矩的动态控制。由于其算法简单，实时性好，因而适合伺服控制系统。然而在系统中位置传感器的存在会造成系统成本增加，同时往往又降低了可靠性，因而近年来关于无位置传感器控制系统的研究工作在交流伺服控制领域中获得了极大的重视，并取得了一定的进展，但在动态磁通转矩控制方面的应用确很少涉足。本文所提出的磁通观测模型与位置观测器，无需进行参数辨识，并且计算量很少，因而构成的伺服系统能充分发挥动态磁通转矩控制算法简单的优势。
2基于定子磁通链比值法的位置观测器
在固定坐标系下，定子电压方程为：
由上式不难看出，忽略定子电阻压降，定子磁通链将沿us(s)的方向运动，即通过控制逆变单元开关的适当切换，就可有效地控制定子磁通链按给定要求旋转与变化。可以证明在定子磁通链幅值恒定时，电机转矩将直接受定、转子磁通链转差角的影响，从而通过控制定子磁通链达到控制电机转矩的目的的。因此在控制过程中，就必须实时检测定子磁通链，以保证控制的需要。由电机定子电压方程可以很方便的构造出磁通观测模型，但由于在低频时定子电阻压降的影响，将导致很大的磁通估计误差。因此，为了保证磁通估计的正确性，应在观测模型中引入转子转速或位置信息，同时这也是伺服控制的要求。
考查电机机械特性，如图1所示，由机械特性可知电机转速将随转矩发生变化，在转矩为tn时刻的对应转速n1n，在转矩为tn+1时刻对应转速为n1n+1因而可以得到:
θr为转子转角。由于式(5)存在同步角速度ω0，因而要建立同步角速度计算模型。根据式(1)给出的定子电压方程，可得到：
式中△t是2次计算的间隔时间。由于采用了比值法进行计算，磁通链的α、β分量的比值受参数变化的影响很小，因此由它可以正确确定磁通链的转角与角速度，进而确定转子转动的角位移。考虑到电机转矩存在如下关系：
根据式(5)、(6)、(9)、(10)、(11)即可构造出位置观测器模型，如图2所示。
图2中tc为转矩计算单元，sω为同步转速计算单元。
3 基于定子电压与电流的磁通观测模型
在固定直角坐标系下，定、转子磁通链方程与转子电压方程可写成如下形式：
考虑到上述方程定义在α—β坐标系，根据这些方程及前面得到的位置观测器即可得到定子磁通观测模型，如图3所示。
图3中sob为转速观测单元。由于在观测器中引入了转速信息，因此可以做到电机在低速运转时对磁通的正确估计，这对伺服控制是极为重要的。
4 无位置传感器交流电机动态磁通转矩伺服控制
图4给出了电机动态磁通转矩伺服控制系统的结构图，系统采用电压型逆变 |
