交流電機(jī)無傳感器低速驅(qū)動(dòng)技術(shù)分析

王慶龍,張興,張崇巍,王敬生

(1.合肥學(xué)院 電子信息與電氣工程系,安徽 合肥 230601;2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

1 引言

自從20世紀(jì)70年代以來,無速度傳感器的高性能交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一直受到國際電氣傳動(dòng)界的普遍關(guān)注,這項(xiàng)可控驅(qū)動(dòng)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)上具有很大的吸引力,減少硬件的復(fù)雜性和降低成本是其中最明顯的兩項(xiàng)。其次,減少傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸、清除傳感器電纜、更好地避免噪音、提高可靠性、減少對(duì)維護(hù)的需求。此外,在有害環(huán)境中工作常常需要強(qiáng)制采用無速度傳感器的電動(dòng)機(jī)[1～3]。

文獻(xiàn)[1]總結(jié)了無速度傳感器控制方法,并歸納成兩大類6種方法:

1)基于電動(dòng)機(jī)的基波模型,包括開環(huán)模型和閉環(huán)觀測器;

2)利用電機(jī)的各向異性性質(zhì)如轉(zhuǎn)子槽諧波、主電感飽和、人為的凸極、轉(zhuǎn)子槽漏磁。

早期的關(guān)于交流電機(jī)無傳感器控制的文獻(xiàn)可以追溯到1975年,文獻(xiàn)[4]描述了一種恒壓頻比方案,采用轉(zhuǎn)差估計(jì)器從已知的定子頻率信號(hào)中導(dǎo)出機(jī)械角速度。自從文獻(xiàn)[5]提出了不帶速度傳感器的矢量控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以來,產(chǎn)生了一大批各有特色的交流驅(qū)動(dòng)無傳感器控制方法[1,2,5～10]。

近年來,對(duì)于交流電機(jī)無速度或位置傳感器驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究更加深入。盡管取得了很大的進(jìn)展,但極低速穩(wěn)定運(yùn)行仍然存在問題[1,2,6]。對(duì)于該技術(shù)存在的大量文獻(xiàn)進(jìn)行恰如其分的比較分析存在困難,原因在于至今還沒有一種為大家所承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)的無速度傳感器控制系統(tǒng)。論文給出了近年來文獻(xiàn)中提高交流電機(jī)無傳感器低速控制性能的若干解決方案的要點(diǎn)及一些在無傳感器條件下觀測的結(jié)果并進(jìn)行了分析,從而對(duì)進(jìn)一步研究提出可能新穎的建議。

2 基于電機(jī)基波模型的方法

無論是開環(huán)計(jì)算轉(zhuǎn)速,還是閉環(huán)的觀測器構(gòu)造轉(zhuǎn)速,都是以交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)。在研究動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型時(shí)所做的基本假設(shè)是:電機(jī)氣隙表面均勻,磁動(dòng)勢和磁通密度沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布,忽略空間諧波和其它次要因素等,因此這個(gè)模型僅是基波模型。

2.1 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)MRAS

模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MARS,model reference adaptive system)法是由Schauder C.首次提出的[11],也是首次基于穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的辨識(shí)方法,狀態(tài)和速度的漸近收斂性由Lyapunov方程和Popov超穩(wěn)定性理論保證。其主要思想是將含有待估計(jì)參數(shù)的方程作為可調(diào)模型,將不含未知參數(shù)的方程作為參考模型,兩個(gè)模型具有相同物理意義的輸出量,利用兩個(gè)模型輸出量的偏差根據(jù)一定自適應(yīng)律來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可調(diào)模型的參數(shù)[12]?；镜腗RAS框圖如圖1所示。

圖1 基本的MRAS框圖Fig.1 Schematic of basic M RAS

在基于工業(yè)應(yīng)用開發(fā)的初期,Schauder[11]將MRAS方法應(yīng)用于1臺(tái)交流感應(yīng)電機(jī),在定子頻率為2 Hz以上獲得了良好性能。文獻(xiàn)[13]提出了一種具有較好性能的轉(zhuǎn)矩型MRAS。通過一個(gè)與轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)匹配的滯后電路,可以減小電機(jī)參數(shù)尤其是定子電阻的影響,并給出了在1臺(tái)印刷機(jī)上的應(yīng)用情況,在0.1%額定速度時(shí)可以穩(wěn)定運(yùn)行,給出了在18 r/min或額定速度的 1/100的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為了改善低速估計(jì)性能,近年來采用了參數(shù)自適應(yīng)方法。文獻(xiàn)[14]報(bào)告了一個(gè)間接矢量MRAS,用于1臺(tái)永磁同步電機(jī)PMSM轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電阻估計(jì),給出了2 rad/s的運(yùn)行情況。文獻(xiàn)[15]針對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng),在MRAS中使用了自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型,并與較早的MRAS方法進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為正反轉(zhuǎn)±50 rad/s和±10 rad/s,低速實(shí)驗(yàn)為5 rad/s。因采用自適應(yīng)模型,從給出的零速實(shí)驗(yàn)情況看是可行的且比以前好。文獻(xiàn)[16]提出了一種新穎的基于定子電流的MRAS速度估計(jì)方法,分析了感應(yīng)電機(jī)等效電路參數(shù)以及MRAS方案自適應(yīng)系數(shù)對(duì)估計(jì)的磁極位置及整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響,分別給出了極低速14 r/min和7 r/min實(shí)驗(yàn)結(jié)果,瞬時(shí)速度偏差接近零。

與其它基于模型的方法相比,MRAS方法比較簡單且實(shí)現(xiàn)時(shí)比較經(jīng)濟(jì)[2]。文獻(xiàn)[17]將一個(gè)基本的轉(zhuǎn)子磁鏈MRAS與EKF估計(jì)性能進(jìn)行了比較。EKF對(duì)參數(shù)變化具有較好的魯棒性,但MRAS比較簡單(計(jì)算的復(fù)雜性之比幾乎為 20∶1),且在低速時(shí)甚至更好。性能據(jù)說已經(jīng)能與具有編碼器的間接矢量驅(qū)動(dòng)相比,實(shí)驗(yàn)采用的階躍速度為19～96 r/min。

按照Landau關(guān)于模型參考自適應(yīng)控制經(jīng)典著作中的定義,MRAS的“參考模型”應(yīng)能代表受控系統(tǒng)性能的準(zhǔn)確模型,其輸出是自適應(yīng)控制的期望值,“可調(diào)整系統(tǒng)”即受控系統(tǒng),可以調(diào)整其參數(shù)或輸入以獲得盡量接近參考模型的性能。套用MRAS理論時(shí),雖然可以用 Lyapunov函數(shù)或Popov超穩(wěn)定理論來證明系統(tǒng)的漸進(jìn)穩(wěn)定性,但實(shí)用中需要的卻是選擇PI參數(shù)來調(diào)整轉(zhuǎn)速估計(jì)的動(dòng)態(tài)品質(zhì),以獲得準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速,按照MRAS的理論還難以做到[9]。

2.2 卡爾曼濾波KF

卡爾曼濾波是由R.E.Kalman在20世紀(jì)60年代初提出的一種最小方差意義上的最優(yōu)預(yù)測估計(jì)的方法,它的突出特點(diǎn)是可以有效地削弱隨機(jī)干擾和測量噪聲的影響。擴(kuò)展卡爾曼濾波EKF算法則是線性卡爾曼濾波器在非線性系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用。KF在信號(hào)處理中是一種比較先進(jìn)的技術(shù),并在驅(qū)動(dòng)中獲得廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[18]提出了基于EKF的感應(yīng)電機(jī)直接矢量控制中轉(zhuǎn)子電流或轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶考稗D(zhuǎn)子電阻估計(jì)方法。文獻(xiàn)[19]針對(duì)EKF存在的主要問題EKF協(xié)方差矩陣的選擇,提出了一種通過自調(diào)整程序直接選擇矩陣的方法,避免了常規(guī)的通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)選擇矩陣,并將這種方法用于面裝式PMSM轉(zhuǎn)速估計(jì),但并沒有給出低速實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[20]描述了具有電壓和電流傳感器基于EKF的感應(yīng)電機(jī)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),但電阻值和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量使用測量值。低速實(shí)驗(yàn)表明,估計(jì)速度偏差為2～4 r/min,零速運(yùn)行持續(xù)時(shí)間為64 s。文獻(xiàn)[21]提出了一種PMSM無傳感器矢量控制系統(tǒng),采用并聯(lián)降階 EKF進(jìn)行轉(zhuǎn)速和位置估計(jì),并與常規(guī)的EKF進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為100 r/min。特點(diǎn)是可以大大節(jié)省計(jì)算機(jī)資源,但隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,這種折中方法已無太大意義。

文獻(xiàn)[22]總結(jié)了常規(guī)EKF存在的不足,主要包括復(fù)雜的雅可比矩陣計(jì)算;由線性化和不正確的參數(shù)導(dǎo)致的不穩(wěn)定性;高斯白噪聲假設(shè)和缺少適當(dāng)選擇模型協(xié)方差的分析方法等。提出了一種UKF(unscented Kalman filter)方法以克服常規(guī)的EKF存在的不足,并將提出的方法用于感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)。因?qū)y量噪聲更加敏感,因此沒有給出低速實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

影響KF和EKF低速估計(jì)的因素是電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電阻等參數(shù)變化。轉(zhuǎn)子電阻變化的影響因素主要有兩個(gè),即溫度和集膚效應(yīng)。溫度對(duì)轉(zhuǎn)子電阻的影響相對(duì)緩慢,因此可通過補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ詼p小磁鏈和轉(zhuǎn)矩在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)產(chǎn)生的漂移。集膚效應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子電阻變化的影響較快,但在高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)中矢量控制通常能維持較低的滑差率,因此在穩(wěn)態(tài)條件下集膚效應(yīng)比較小。另外,用于變速用途的感應(yīng)電機(jī)不需要直接在線啟動(dòng),可以將集膚效應(yīng)設(shè)計(jì)得很小。此外,轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)也會(huì)受到電感磁飽和的影響。

定子電阻是另外一個(gè)重要的參數(shù)。隨著頻率(轉(zhuǎn)速)的降低,由定子模型方程可知,其影響逐漸增大。另外,其值隨溫度變化可達(dá) 50%,因此,不能簡單的采用固定不變的定子電阻。在穩(wěn)態(tài)和偏差受到限制時(shí),或許可以在1 Hz速度運(yùn)行[3]。

與MRAS相比,擴(kuò)展卡爾曼濾波法提供了一種迭代形式的非線性估計(jì)方法,避免了對(duì)測量量的微分計(jì)算,其性能取決于濾波器矩陣的選擇,不足之處是計(jì)算量很大、低速時(shí)對(duì)參數(shù)變化敏感,且這種方法是建立在對(duì)誤差和測量噪聲的統(tǒng)計(jì)特性已知的基礎(chǔ)上的,需要在實(shí)踐中摸索出合適的特性參數(shù)。

2.3 觀測器

將MRAS或EKF與自適應(yīng)結(jié)合構(gòu)成閉環(huán)觀測器能夠增強(qiáng)抑制偏差和噪聲的魯棒性[1],常見的形式包括滑模觀測器和全階非線性觀測器。

文獻(xiàn)[23]描述了在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中滑模控制原理及其應(yīng)用,該論文得到了廣泛的引用。文獻(xiàn)[24]將積分滑?？刂朴糜诟袘?yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng),進(jìn)行了參數(shù)變化范圍為20%的魯棒性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)階躍速度大約從800 r/min到1200 r/min。文獻(xiàn)[25]提出了一種感應(yīng)電機(jī)變結(jié)構(gòu)控制方法,使得電機(jī)在額定負(fù)載下能運(yùn)行于極低速,并給出了在額定負(fù)載下運(yùn)行速度為3 r/min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[26]提出的感應(yīng)電機(jī)滑模電流觀測器結(jié)合了定子電阻自適應(yīng)辨識(shí),聲稱在零速和低速具有很高的估計(jì)精度,并給出了24 r/min實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[27]采用逆系統(tǒng)方法將感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行動(dòng)態(tài)解耦,并由擴(kuò)展的Kalman濾波器對(duì)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì),給出了整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)進(jìn)行高精度的轉(zhuǎn)速和磁鏈估計(jì)的仿真結(jié)果。

文獻(xiàn)[28]提出了一種改進(jìn)的感應(yīng)電機(jī)定子磁鏈定向直接矢量控制系統(tǒng),定子磁鏈采用閉環(huán)估計(jì),轉(zhuǎn)子速度采用MRAS估計(jì),給出了仿真和輕載實(shí)驗(yàn)結(jié)果。50%負(fù)載時(shí)低速運(yùn)行實(shí)際轉(zhuǎn)速為4.8 rad/s,估計(jì)轉(zhuǎn)速為6 rad/s;空載時(shí)低速運(yùn)行估計(jì)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速一致。文獻(xiàn)[29]提出一種新穎的自適應(yīng)全階Luenberger觀測器用于感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì),給出了正反轉(zhuǎn)為±100 rad/s的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和小于2 rad/s的極低速實(shí)驗(yàn)結(jié)果,具有定、轉(zhuǎn)子電阻自適應(yīng)的零速運(yùn)行。文獻(xiàn)[30]基于擴(kuò)展電動(dòng)勢、逆變器非線性補(bǔ)償和定子電阻自適應(yīng)提出了一種感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈閉環(huán)觀測器。給出了正反轉(zhuǎn)為±5 rad/s實(shí)驗(yàn)結(jié)果,稱零速運(yùn)行令人滿意。但在階躍轉(zhuǎn)矩變化為三分之一額定負(fù)載下,轉(zhuǎn)速偏差約20 rad/s。文獻(xiàn)[31]提出了一種改進(jìn)感應(yīng)電機(jī)磁鏈估計(jì)和定子電阻自適應(yīng)方法,采用偏差衰減機(jī)理解決直流飄移問題,給出了正反轉(zhuǎn)±90 r/min實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[32]提出了一種感應(yīng)電機(jī)全階自適應(yīng)觀測器,可用于包括極低速的定子或轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制,零速穩(wěn)定運(yùn)行存在困難,但可以平穩(wěn)地經(jīng)過零點(diǎn)而不影響驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[33]在回顧無刷永磁電機(jī)無速度傳感器運(yùn)行時(shí)指出,近來發(fā)展主要集中于閉環(huán)觀測器方法的研究。這種估計(jì)器通常包括一個(gè)具有詳細(xì)電機(jī)參數(shù)的簡單電機(jī)系統(tǒng)模型,但無電機(jī)模型變量可能更適合于變化的負(fù)載或未知負(fù)載。文獻(xiàn)[34]較早采用EKF方法,對(duì)1臺(tái)無刷直流電機(jī)速度和轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行估計(jì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果為額定速度5%以上時(shí)電機(jī)參考速度和實(shí)際速度最大穩(wěn)態(tài)偏差為±1%。文獻(xiàn)[35]采用具有M RAS的變結(jié)構(gòu)方法,選取永磁電機(jī)本身作為參考模型,而選取永磁電機(jī)電流模型作為可調(diào)模型,用于面裝式的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速辨識(shí),給出了全速范圍的仿真結(jié)果。文獻(xiàn)[36]基于電機(jī)的電流模型,給出了一種具有KF的自適應(yīng)滑模定子磁鏈觀測器,用于基于DTC的內(nèi)永磁同步電機(jī)IPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為電機(jī)在半載情況下穩(wěn)定運(yùn)行于10 r/min,約為額定轉(zhuǎn)速的0.79%。

2.4 基于電機(jī)基波模型的方法存在問題

基于電機(jī)基波模型的方法存在低速穩(wěn)定運(yùn)行困難的問題,其主要原因如下[1]。

1)信號(hào)獲得存在偏差。由式(1)可知,即使采用理想積分器,信號(hào)中微小的直流成分也能使得估計(jì)的磁鏈產(chǎn)生偏移,因此,極低速運(yùn)行存在一個(gè)基本極限。

2)逆變器存在非線性。逆變器存在非線性死區(qū)影響,欲獲得良好的低速性能應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償;功率裝置正向電壓降落也會(huì)產(chǎn)生非線性,需要通過建模解決。其它影響包括對(duì)電壓降落和對(duì)電流反向的準(zhǔn)確位置的死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償?shù)拿舾行?。因?通過PWM估計(jì)定子電壓矢量會(huì)變得不精確。

3)模型參數(shù)不準(zhǔn)確。模型參數(shù)可以在試運(yùn)行階段確定,可以采用離線的方法或者用逆變器自測試的方法以增加估計(jì)的準(zhǔn)確性如用直流實(shí)驗(yàn)尋找轉(zhuǎn)子電阻初始值。

開始出現(xiàn)無速度傳感器控制的高性能通用變頻器產(chǎn)品時(shí),最低工作頻率僅為5 Hz,低速運(yùn)行時(shí)誤差較大。近10年來,經(jīng)過研發(fā)工作的努力,一些高檔產(chǎn)品的最低頻率已達(dá)0.5～1 Hz。Holtz[1]認(rèn)為基于電機(jī)基波模型的方法最低頻率“接近0 Hz,或暫時(shí)為0 Hz”,后者是指在過渡過程中經(jīng)過0 Hz。這樣的結(jié)果已能滿足許多工業(yè)實(shí)際要求了,但更低頻率的穩(wěn)定運(yùn)行還做不到。

3 利用電機(jī)的各向異性性質(zhì)

要解決交流電機(jī)無速度傳感器控制系統(tǒng)0 Hz附近的穩(wěn)定運(yùn)行,就必須另辟蹊徑。高頻信號(hào)注入的辨識(shí)方法有著重要的實(shí)際應(yīng)用潛力,許多學(xué)者對(duì)此展開了較為深入的研究[1～3]。

在信號(hào)注入SI方法中,通常向電機(jī)中注入附加的高頻、低幅值信號(hào)。由于注入的信號(hào)頻率很高而幅值較小,Holtz[1]認(rèn)為,這種注入的高頻信號(hào)對(duì)電機(jī)的基本特性影響較小。注入的信號(hào)可以是三相對(duì)稱的,產(chǎn)生一個(gè)高頻旋轉(zhuǎn)磁場,也可以在預(yù)定的某個(gè)空間方向上產(chǎn)生一個(gè)特定的交變磁場。這些信號(hào)被實(shí)際電機(jī)中的各向異性在空間加以調(diào)制,然后被加工、解調(diào)以獲得所需的測量量。此外,在一個(gè)PWM控制系統(tǒng)中,開關(guān)波形中的高頻成分可以代替注入的周期性高頻信號(hào)。

對(duì)于感應(yīng)電機(jī)來說,轉(zhuǎn)子基本模型是圓柱形的,在零速時(shí)不能提供轉(zhuǎn)子位置或磁場角信息。而基于非模型的方法,即利用感應(yīng)電機(jī)的各向異性獲得轉(zhuǎn)速信號(hào),可以完全不受數(shù)學(xué)模型的限制。感應(yīng)電機(jī)的各向異性特性主要形式有:通過感應(yīng)電機(jī)鼠籠型轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條產(chǎn)生的各向異性,而這種各向異性可以通過人為設(shè)計(jì)獲得,如使轉(zhuǎn)子齒槽的寬度在轉(zhuǎn)子圓周上按極距周期性變化、使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子表面下的深度按周期性變化、使雙籠轉(zhuǎn)子的外層鼠籠條或內(nèi)層鼠籠條的導(dǎo)體電阻按周期性變化等;其次,由于基波磁場在漏磁路產(chǎn)生局部飽和而引起磁路的各向異性;另外一種常見形式的各向異性是在d軸,因?yàn)閐軸附近氣隙處的高頻磁場時(shí)間常數(shù)最大,使得d軸總漏感最大。感應(yīng)電機(jī)中的各向異性有著不同的空間方位,如基波磁場的位置、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條極距內(nèi)的導(dǎo)條對(duì)應(yīng)的位置等。這些各向異性對(duì)高頻注入信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng),因而通過注入信號(hào)或直接經(jīng)過逆變器開關(guān)獲得的高頻激勵(lì)可以檢測出各向異性的空間方向。通過檢測這種各向異性可以確定轉(zhuǎn)子的位置角,轉(zhuǎn)子位置角的變化可以用來獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[37]采用轉(zhuǎn)子槽追蹤和零序電流技術(shù)對(duì)接近標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)電機(jī)在零速和低速時(shí)的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行估計(jì)。實(shí)驗(yàn)電機(jī)為三角形連接,負(fù)載為空載和30%額定負(fù)載,進(jìn)行0～10 r/min的實(shí)驗(yàn),平均位置偏差機(jī)械角度為0.6°。文獻(xiàn)[38]利用高頻信號(hào)注入技術(shù),采用補(bǔ)償和卡爾曼濾波KF,對(duì)1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的閉槽籠型感應(yīng)電機(jī)在零低速矢量控制時(shí)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行估計(jì),給出了±30 r/min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[39]提出了一種速度估計(jì)方法,該方法基于載波信號(hào)注入及標(biāo)準(zhǔn)的氣隙光滑的兩軸感應(yīng)電機(jī)模型,并結(jié)合了MRAS方法。據(jù)稱,在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很高的假定條件下(盡管假設(shè)不能成立)具有較寬的運(yùn)行速度范圍,包括零速和基本頻率。給出了階躍速度為 50 r/min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[40]基于零序電流和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及飽和補(bǔ)償,利用信號(hào)注入進(jìn)行凸極追蹤并在1臺(tái)IM上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[41]通過計(jì)算負(fù)序載波信號(hào)電流中的齒槽諧波及利用高通濾波器濾除飽和電感諧波的方法,精確地獲得了標(biāo)準(zhǔn)的斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)在低速空載時(shí)的轉(zhuǎn)速,給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為15 r/min。

通常,在感應(yīng)電機(jī)中不只一種各向異性特性,感應(yīng)電機(jī)中各向異性有著不同的空間方位,例如基波磁場的位置、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條極距內(nèi)的導(dǎo)條對(duì)應(yīng)位置,以及專門設(shè)計(jì)的不對(duì)稱轉(zhuǎn)子的位置等。當(dāng)從一種特定的各向異性的響應(yīng)信號(hào)中提取信息時(shí),必然會(huì)受到其它各向異性的干擾。文獻(xiàn)[42]分析了磁飽和在轉(zhuǎn)速估計(jì)的影響,提出了消除影響的方法。據(jù)稱,在零定子頻率穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)具有高動(dòng)態(tài)性能,并給出了動(dòng)態(tài)50 r/min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[43]提出一種基于Hilbert變換和以內(nèi)插值替換的快速傅立葉變換方案,以提高利用電流估計(jì)感應(yīng)電機(jī)速度的精度。文獻(xiàn)[44]提出了一種利用高頻信號(hào)注入法對(duì)感應(yīng)電機(jī)零低頻運(yùn)行速度進(jìn)行估計(jì)的方法,該法不受磁飽和及逆變器非線性的影響,不需要離線試運(yùn)轉(zhuǎn)處理,但存在0.5 Hz的門檻頻率。文獻(xiàn)[45]提出了利用短時(shí)傅立葉變換分析感應(yīng)電機(jī)無傳感器速度信號(hào)的方法,采用插補(bǔ)技術(shù)提高短時(shí)傅立葉變換的精度,實(shí)驗(yàn)在1臺(tái)ABB 2極鼠籠型感應(yīng)電機(jī)上進(jìn)行,獲得了估計(jì)速度與實(shí)測速度良好的一致性。文獻(xiàn)[46]提出利用離散傅立葉變換分離感應(yīng)電機(jī)零速無傳感器控制中不同凸極調(diào)制信號(hào)的算法。從測量的凸極信號(hào)追蹤局部飽和及轉(zhuǎn)子槽等引起的感應(yīng)電機(jī)各向異性。

對(duì)于同步電機(jī)來說,上述各向異性自然地存在著[3],并在無傳感器同步電機(jī)零速和低速驅(qū)動(dòng)中獲得了深入的研究。文獻(xiàn)[47]提出了一種能在靜止和運(yùn)行條件下辨識(shí)出包括逆變器參數(shù)的無機(jī)械傳感器IPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),在啟動(dòng)過程中采用信號(hào)注入的方法,然后切換到基于反電動(dòng)勢的估計(jì)方案。文獻(xiàn)[48]提出了一種利用永磁各向異性估計(jì)非凸極PMSM靜止位置的方法。對(duì)于稀土永磁來說,注入信號(hào)最佳值為數(shù)百千Hz。文獻(xiàn)[49]利用有限元(FE)分析法,提出了針對(duì)IPMSM的信號(hào)注入SI設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[50]討論了同步磁阻電機(jī)SynR的交叉飽和影響,給出了100 r/min實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

Shinji Shinnaka[51]提出了一種用于凸極永磁同步電機(jī)的無傳感器矢量控制方法。與常規(guī)的高頻電壓注入方法不同,新方法采用新穎的橢圓形的旋轉(zhuǎn)高頻電壓,并利用新穎的鎖相環(huán)方法進(jìn)行檢波,聲稱具有靜止時(shí)允許250%的額定轉(zhuǎn)矩;在額定負(fù)載時(shí)允許從零速到額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行;甚至在零速控制中允許額定負(fù)載的突然加入;在逆變器死區(qū),相位估計(jì)具有魯棒性,甚至在高頻定子電流過零點(diǎn)也能進(jìn)行相位估計(jì)等特點(diǎn),并給出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。J.Holtz[52]提出了一種基于振蕩高頻載波信號(hào)注入的面裝式PMSM零低速無傳感器控制方法,即采用特殊的檢波方法消除了由脈寬調(diào)制滯后和逆變器非線性引起的估計(jì)偏差,使得沒有死區(qū)補(bǔ)償也能精確地工作。Nicola Bianchi[53]結(jié)合內(nèi)插式PMSM,分析了基于高頻信號(hào)注入的無傳感器控制系統(tǒng)性能。具有各向異性的PMSM的轉(zhuǎn)子位置可以通過向定子基頻電壓注入高頻信號(hào)獲得。相應(yīng)的高頻電流受轉(zhuǎn)子各向異性調(diào)制,并用來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。這種方法在零速和低速也有效。飽和與交叉耦合對(duì)轉(zhuǎn)子位置正確估計(jì)具有重要影響。Gheorghe-daniel Andreescu[54]提出了一種具有寬調(diào)速范圍(包括靜止)的IPMSM DTC無傳感器控制系統(tǒng),采用PI補(bǔ)償?shù)碾妷弘娏髂Ｐ偷淖兘Y(jié)構(gòu)的定子磁鏈觀測器,用于低速運(yùn)行;隨著速度增加,觀測器逐漸切換到PI補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)電壓模型,用于高速情況。具有帶通濾波和鎖相環(huán)狀態(tài)觀測器的高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入用于估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。磁鏈觀測與信號(hào)注入結(jié)合的寬速范圍無傳感器DTC控制系統(tǒng)。給出從低速(1 r/min)到額定轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果,滿負(fù)載時(shí)調(diào)速范圍超過1∶1000。Chan-hee Choi[55]提出了基于高頻脈振信號(hào)d,q軸交替注入的PMSM無傳感器控制方案,實(shí)驗(yàn)證實(shí),可以減小因零電流鉗位產(chǎn)生的位置估計(jì)偏差和速度估計(jì)紋波。Antti Piippo[56]結(jié)合了自適應(yīng)全階觀測器和低速高頻信號(hào)注入,提出了一種具有逆變器輸出 LC濾波器的PMSM無傳感器混合觀測方法,表明濾波器并不妨礙信號(hào)注入法的使用,給出了零速實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

基于電機(jī)各向異性提取交流電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的方法,其技術(shù)難點(diǎn)在于信號(hào)處理方法。由于對(duì)特定頻率進(jìn)行追蹤,低頻譜分離和信噪比較差,信號(hào)處理可存在困難,但現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)提供了解決這一問題的方法。Shinji Shinnaka[51]利用新穎的鎖相環(huán)方法進(jìn)行檢波。J.Holtz[52]采用特殊的檢波方法消除了由脈寬調(diào)制滯后和逆變器非線性引起的估計(jì)偏差,使得沒有死區(qū)補(bǔ)償也能精確地工作。文獻(xiàn)[43]提出一種基于Hilbert變換和以內(nèi)插值替換的快速傅立葉變換方案,以提高利用電流估計(jì)感應(yīng)電機(jī)速度的精度。C.Wang[45]提出了利用短時(shí)傅立葉變換分析感應(yīng)電機(jī)無傳感器速度信號(hào)的方法,采用插補(bǔ)技術(shù)提高短時(shí)傅立葉變換的精度。文獻(xiàn)[46]提出利用離散傅立葉變換分離感應(yīng)電機(jī)零速無傳感器控制中不同凸極調(diào)制信號(hào)的算法,從測量的凸極信號(hào)追蹤局部飽和及轉(zhuǎn)子槽等引起的感應(yīng)電機(jī)各向異性。Damian Giaouris[57]提出在高頻信號(hào)注入速度估計(jì)中利用小波變換提取和辨識(shí)轉(zhuǎn)速的方法,實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果證實(shí)了結(jié)論。

4 結(jié)論

無速度或位置傳感器技術(shù)可以分為基于電機(jī)基波模型的方法和基于電機(jī)的各向異性性質(zhì)的方法?；诨灸Ｐ偷姆椒ê茉缇鸵呀?jīng)使用了,20年前其性能即可與具有傳感器的方法相媲美。目前,這種方法在極低速獲得了令人振奮的結(jié)果:速度控制在3 r/min,甚至零速已經(jīng)得以驗(yàn)證,以至于在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很高時(shí)也獲得了極好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;在穩(wěn)定負(fù)載下,零速穩(wěn)定運(yùn)行1 min以上已經(jīng)得以驗(yàn)證?；陔姍C(jī)的各向異性性質(zhì)的方法可以獲得零速估計(jì),但依賴于電機(jī)本身的特性,其技術(shù)難點(diǎn)在于信號(hào)處理方法,但現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)提供了解決這一問題的方法。

各種方案間準(zhǔn)確比較存在困難,原因在于至今還沒有一種為大家所承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)的無速度傳感器控制系統(tǒng)?；仡櫧谝恍┓桨钢刑岢龅倪@些優(yōu)秀的結(jié)論,即使是極小的進(jìn)步也是有益的。

兩類方案在具體的應(yīng)用中需要權(quán)衡其利弊進(jìn)行選擇。一方面,基波勵(lì)磁法具有良好的動(dòng)態(tài)性能,但是不適合電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行;另一方面,高頻注入法能夠?qū)崿F(xiàn)低速甚至零速時(shí)轉(zhuǎn)子位置的檢測,但是其動(dòng)態(tài)性能有限。這兩類方法的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)包括零速在內(nèi)的全速范圍下交流電動(dòng)機(jī)的無傳感器運(yùn)行速度檢測,其研究具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

兩種方法達(dá)到的共同目標(biāo)在于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。實(shí)用的交流電機(jī)無速度傳感器控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)確度高、魯棒性好、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜,因此,盡管現(xiàn)在研究工作已經(jīng)取得很大的進(jìn)展,實(shí)用的產(chǎn)品仍多采用基于基波模型的開環(huán)計(jì)算方法,只要有較好的參數(shù)辨識(shí)和必要的誤差補(bǔ)償,滿足工藝要求的最低頻率要求即可。在特殊場合,必須考慮0 Hz附近穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),各種利用電機(jī)各向異性的方法將有其美好的應(yīng)用前景。

今后的研究方向是提高速度估算的精度以及對(duì)參數(shù)變化、外部擾動(dòng)的魯棒性,進(jìn)一步改善電動(dòng)機(jī)低速及零速的性能,這是一個(gè)難點(diǎn),也是今后研究的熱點(diǎn)。

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