無(wú)位置傳感器交流電機(jī)動(dòng)態(tài)磁通轉(zhuǎn)矩伺服控制
陳在平(天津理工學(xué)院300050)
【摘 要】簡(jiǎn)述交流電機(jī)動(dòng)態(tài)磁通轉(zhuǎn)矩控制的基本工作原理，提出了基于定子磁鏈比值法的位置觀測(cè)器以及相應(yīng)的磁通觀測(cè)模型。由于這一方案無(wú)需進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，計(jì)算簡(jiǎn)單，因此適合應(yīng)用于無(wú)位置傳感器的交流電機(jī)磁通轉(zhuǎn)矩伺服控制。
1 引 言
伺服驅(qū)動(dòng)用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、維護(hù)方便，因此目前在伺服系統(tǒng)中仍獲得廣泛應(yīng)用。雖然矢量控制技術(shù)的發(fā)展使得交流電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制獲得了較好的解決，但由于這種控制技術(shù)所進(jìn)行的各種變換與計(jì)算十分復(fù)雜，加之電機(jī)參數(shù)的變化對(duì)矢量控制特性的敏感性，因而系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種控制具有一定的難度，而且實(shí)際控制效果有時(shí)也很難達(dá)到理論分析的水平。電機(jī)動(dòng)態(tài)磁通轉(zhuǎn)矩控制，它不涉及矢量控制中的各種變換與解耦處理，而是通過(guò)在固定坐標(biāo)系下直接對(duì)定子磁通與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算、估計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁通與轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)控制。由于其算法簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，因而適合伺服控制系統(tǒng)。然而在系統(tǒng)中位置傳感器的存在會(huì)造成系統(tǒng)成本增加，同時(shí)往往又降低了可靠性，因而近年來(lái)關(guān)于無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)的研究工作在交流伺服控制領(lǐng)域中獲得了極大的重視，并取得了一定的進(jìn)展，但在動(dòng)態(tài)磁通轉(zhuǎn)矩控制方面的應(yīng)用確很少涉足。本文所提出的磁通觀測(cè)模型與位置觀測(cè)器，無(wú)需進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，并且計(jì)算量很少，因而構(gòu)成的伺服系統(tǒng)能充分發(fā)揮動(dòng)態(tài)磁通轉(zhuǎn)矩控制算法簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。
2基于定子磁通鏈比值法的位置觀測(cè)器
在固定坐標(biāo)系下，定子電壓方程為：
由上式不難看出，忽略定子電阻壓降，定子磁通鏈將沿us(s)的方向運(yùn)動(dòng)，即通過(guò)控制逆變單元開(kāi)關(guān)的適當(dāng)切換，就可有效地控制定子磁通鏈按給定要求旋轉(zhuǎn)與變化�？梢宰C明在定子磁通鏈幅值恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩將直接受定、轉(zhuǎn)子磁通鏈轉(zhuǎn)差角的影響，從而通過(guò)控制定子磁通鏈達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的的。因此在控制過(guò)程中，就必須實(shí)時(shí)檢測(cè)定子磁通鏈，以保證控制的需要。由電機(jī)定子電壓方程可以很方便的構(gòu)造出磁通觀測(cè)模型，但由于在低頻時(shí)定子電阻壓降的影響，將導(dǎo)致很大的磁通估計(jì)誤差。因此，為了保證磁通估計(jì)的正確性，應(yīng)在觀測(cè)模型中引入轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或位置信息，同時(shí)這也是伺服控制的要求。
考查電機(jī)機(jī)械特性，如圖1所示，由機(jī)械特性可知電機(jī)轉(zhuǎn)速將隨轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，在轉(zhuǎn)矩為tn時(shí)刻的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速n1n，在轉(zhuǎn)矩為tn+1時(shí)刻對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為n1n+1因而可以得到:
θr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。由于式(5)存在同步角速度ω0，因而要建立同步角速度計(jì)算模型。根據(jù)式(1)給出的定子電壓方程，可得到：
式中△t是2次計(jì)算的間隔時(shí)間。由于采用了比值法進(jìn)行計(jì)算，磁通鏈的α、β分量的比值受參數(shù)變化的影響很小，因此由它可以正確確定磁通鏈的轉(zhuǎn)角與角速度，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移。考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)矩存在如下關(guān)系：
根據(jù)式(5)、(6)、(9)、(10)、(11)即可構(gòu)造出位置觀測(cè)器模型，如圖2所示。
圖2中tc為轉(zhuǎn)矩計(jì)算單元，sω為同步轉(zhuǎn)速計(jì)算單元。
3 基于定子電壓與電流的磁通觀測(cè)模型
在固定直角坐標(biāo)系下，定、轉(zhuǎn)子磁通鏈方程與轉(zhuǎn)子電壓方程可寫(xiě)成如下形式：
考慮到上述方程定義在α—β坐標(biāo)系，根據(jù)這些方程及前面得到的位置觀測(cè)器即可得到定子磁通觀測(cè)模型，如圖3所示。
圖3中sob為轉(zhuǎn)速觀測(cè)單元。由于在觀測(cè)器中引入了轉(zhuǎn)速信息，因此可以做到電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)磁通的正確估計(jì)，這對(duì)伺服控制是極為重要的。
4 無(wú)位置傳感器交流電機(jī)動(dòng)態(tài)磁通轉(zhuǎn)矩伺服控制
圖4給出了電機(jī)動(dòng)態(tài)磁通轉(zhuǎn)矩伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)采用電壓型逆變 |
