無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)控制策略

李鍇，趙修瑞

(黑龍江科技大學(xué)研究生學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150000）

0 引言

在目前的交流調(diào)速系統(tǒng)中，光電脈沖編碼器或測速發(fā)電機(jī)多被用于進(jìn)行速度測量。但是高精度的速度傳感器不僅價(jià)格昂貴，而且還存在使系統(tǒng)易受環(huán)境影響、降低系統(tǒng)的機(jī)械可靠性等缺陷。因此為了克服安裝傳統(tǒng)速度傳感器的不足，無速度傳感器技術(shù)必然將成為一種主流的趨勢，無速度傳感器的控制系統(tǒng)不僅節(jié)省了設(shè)備，而且避免速度傳感器使用可能帶來的誤差。針對(duì)無速度傳感器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制性能方面的優(yōu)勢，采用模型參考自適應(yīng)法來設(shè)計(jì)速度觀測器，并通過MATLAB／Simulink 仿真工具無速度傳感器轉(zhuǎn)速辨識(shí)問題以及磁鏈觀測問題進(jìn)行了研究。

1 電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)

用一種基于電壓模型具有限幅補(bǔ)償功能的新型定子磁鏈觀測器，去解決傳統(tǒng)磁鏈觀測器在低速時(shí)辨識(shí)精度低的問題。采用低通濾波器作為純積分器的替代，可以解決直流偏置所造成的誤差累積問題。采用低通濾波器的磁鏈觀測模型可表示為：

（1）式中，ψs(s)、e( s)分別為定子磁鏈、反電動(dòng)勢的拉普拉斯變換，ωc為截至頻率。

倘若其輸入信號(hào)為正弦信號(hào)Aωsinωt，且信號(hào)初始值為0，并拉普拉斯反變換可以得到：

并采用具有限定補(bǔ)償環(huán)節(jié)的磁鏈觀測器，如圖1-1所示。由于采用了兩次坐標(biāo)變換，因此磁鏈的相位并沒有發(fā)生改變；同時(shí)由于加入了磁鏈幅值補(bǔ)償環(huán)節(jié)，也避免了幅值衰減問題的出現(xiàn)。當(dāng)電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，ω遠(yuǎn)大于ωc，ωc可以忽略不計(jì)。此時(shí)補(bǔ)償增益約等于0，磁鏈觀測器等同于一階低通濾波器。由此可見，具有限定補(bǔ)償環(huán)節(jié)的磁鏈觀測器無論在低速段還是在高速段，都能夠精確的觀測定子磁鏈[7]。

圖1 具有限定補(bǔ)償環(huán)節(jié)的磁鏈觀測器

1.1 模型參考自適應(yīng)法

模型參考自適應(yīng)法辨識(shí)速度的主要思想是，對(duì)同一控制對(duì)象，將不含未知參數(shù)的數(shù)學(xué)模型作為參考模型，而將含有待估算參數(shù)的數(shù)學(xué)模型作為可調(diào)節(jié)模型，兩個(gè)模型應(yīng)該具有相同物理意義的輸出量。本設(shè)計(jì)選用不含轉(zhuǎn)速信息的電壓模型作為參考模型，含有轉(zhuǎn)速信息的電流模型作為可調(diào)模型，比例積分作為自適應(yīng)規(guī)律，以此建立并聯(lián)結(jié)構(gòu)的模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)。

2 仿真結(jié)果與分析

設(shè)置電機(jī)初始轉(zhuǎn)速為1400r/min，在0.5S時(shí)轉(zhuǎn)速由1400r/min突變?yōu)?00r/min；設(shè)置電機(jī)給定啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩初始值為10N?m，在0.3S時(shí)突加60N?m負(fù)載，則磁鏈波形如圖2所示。

從圖2中可以看到該異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的定子磁鏈波形接近于圓形。說明本文設(shè)計(jì)的具有幅值限定補(bǔ)償功能的定子磁鏈觀測器觀測精度較高。

圖2 定子磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡

三相定子電流如圖3所示。三相定子電流波形雖然在電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)有著較大的波動(dòng)，但是也在0.25s內(nèi)穩(wěn)定了下來，由此可以看出系統(tǒng)響應(yīng)速度很快。在約0.15s時(shí)刻，電機(jī)速度達(dá)到給定值，此時(shí)三相定子電流也突變到另一個(gè)值，并且很快穩(wěn)定；0.3s時(shí)刻，給定轉(zhuǎn)矩從10N?m突變到60N?m，三相定子電流突變到另一個(gè)值，同樣也很快地穩(wěn)定；到0.5s時(shí)刻，給定轉(zhuǎn)速從1400r/min突變到400r/min，三相定子電流再次突變到另一個(gè)值，經(jīng)過約0.08s后，穩(wěn)定下來。

圖3 三相定子電流

電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩估計(jì)值的波形圖如圖4所示。由上圖可以看出轉(zhuǎn)矩估計(jì)值與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩幾乎無差別，檢驗(yàn)了仿真的準(zhǔn)確性。

圖4 實(shí)際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩估計(jì)值

3 總結(jié)

本設(shè)計(jì)對(duì)異步電機(jī)在低頻條件下的控制效率進(jìn)行研究提出一種基于電壓模型具有限幅補(bǔ)償功能的新型定子磁鏈觀測器，并采用模型參考自適應(yīng)速度觀測算法，去實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的辨識(shí)，不僅大大降低成本，而且避免大量電資源的浪費(fèi)，對(duì)電機(jī)節(jié)能提供了新思路，具有很大的發(fā)展前景。