感应电机低速控制方法研究论文电子版下载.doc

感应电机低速控制方法研究论文电子版下载 第24卷第2期xx年4月电力系统及其自动化学报Proceedings of the CSUEPSA Vo124No2Aprxx感应电机低速控制方法王涛，徐英雷(西南交通大学电气工程学院，成都610031)摘要基于模型参考自适应(MRAs)的无速度传感器的转子磁场定向控制广泛应用于感应电机驱动系统，速度辨识系统在零频或极低速时会不稳定。 文中分析了辨识在零频或极低速时导致不稳定的原因，通过在传统转子电流和磁通观测器添加激励信号，设计新的自适应观测器，采用Lyapunov方法证明了系统在零频或极低速运行时的稳定性和收敛性仿真显示了该方案优于传统的MARS方法，提高了低速时转速的渐进跟踪能力，使控制系统具有良好的动静态性能，易于实现。 关键词感应电机；模型参考自适应；Lyapunov方法；低速与零频TM346文献标志码Al0038930 (xx)02005904Control ofIndeuction Motor atLow SpeedW ANGTao，XU Yinglei(School ofElectrical Enginnering，Southwest JiaotongUniversity，Chengdu610031，China)AbstractBased onmodei referenceadaptive system(M RAS)，speed sensorlessis widelyused inthe rotorfield orientedcontrol induction motor drivesystemThe speedidentification systemis unstableat the zero or very lowfrequencyThis paperanalyzes theinstability reasonof theidentification atthe zerofrequency orvery low speedThe designof newadaptive observeris designedby addingthe excitationsignal tOthe traditionalrotor current andflux observerAnd Lyapunovmethod hasproved stabilityand convergenceof thesystem atthezero frequencyorvery low speedSimulation resultsshow thatthe proposedmethod issuperior tOthe conventional MARS methodand ensurerotor speedoftheasymptotic trackingThe controlsystem hasgood dynamicand staticperformance，which iseasy tObe implementedKey wordsinductionmotor；model referenceadaptive system；lyapunov method；lowspeed and zero frequency感应电机由于其变量非线性耦合，转子电量难以测量，同时电机参数时变性导致感应电机高精度交流调速控制相当复杂_】，尤其是在电机低速运行时，条件更为苛刻。 为了获得优良的调速动静态性能，控制问题一直是研究的热点。 速度控制是感应电机驱动系统的核心，速度测量需要在电机轴上安装速度传感器，可实现对速度控制和转矩控制。 然而，速度估计优越于速度测量，间接磁场定向无速度传感器技术广泛应用在感应电机驱动上，虽然无速度传感器技术在电机高速具有很好的性能，但是它在低速时性能变得很差。 然而，带有磁通观测器的直接磁场定向控制方法，这是因为磁通估计器在低速时，此时磁通估计的极点，在其S域的原点附近。 同时，磁通观测器使用纯积分器，由于积分器漂移和初始条件，导致对电压传感器和电机定子电阻变化非常敏感，不能很好地应用于实际。 并且，感应电机无速度传感器矢量控制中，速度辨识系统在零频或极低速时会不稳定，是由于其反电动式很低，定子电阻变化或者测量误差，低速运行相当苛刻；同时，由于缺失了电机转子侧的信息，电机转子参数不匹配引起的扰动导致的结果。 零频时，此时信号激励为零，电机转子速度与转子磁通不能使用传统的观测器，因为此时只存在单一输入，在理论上不能解决零速问题l_2。 xx1110；修回日期201lO425基金项目中央高校基本科研业务费专项资金科技创新项目(SWJTU09CX030)60电力系统及其自动化学报第24卷为了在零频时不用速度测量，而控制感应电机，则需消除输入的单一性。 一些速度估计算法，比如高频电压信号注入或者正弦PWM电压波，来估计零频时的转子速度，这些方法将电压作为通用输入，是有效的。 许多的速度估计方法应用于感应电机矢量控制，其中MARS由于其简单直接的稳定算法，成为了流行的方法。 比如磁链、反电动和无功都是基于MRAS函数的方法。 本文在传统观测器中引入V信号，解决低速激励信号不足，使得系统稳定收敛，且能很好地辨识电机转子速度。 l感应电机数学模型根据电机学理论，感应电机在两相静止坐标系下，状态方程为l5A一一R(8L)+(1)()A12一L(aL1L2)(1r)J一叫，A21一(L3，)I A22一一(1r)I+B1一l(乩1)I一61I c一式中R、R为定转子电阻；L、L为定转子自感；L为互感；为漏磁系数；一1一Lg L为时间常数；，为电机角速度。 由式 (1)可以得苦一I dtA2+(L2观测器的设计定义上标符号“为观测值，传统降阶观测器方程为f誓一All i+十卅G)l一+(L；- (3)其中，G为观测器增益矩阵，即Gi gg ILg2gl J使误差响应的快速性与外界干扰及测量噪声达到一种折中，配置观测器增益矩阵G的极点，使观测器的特征值为负，这样观测状态量会收敛于待观测系统的状态值。 观测器的特征值某种程度上更负于待观测系统的特征值，从而比其它系统收敛的速度更快。 基于上述考虑，选择如下gl=(志一1)a川；g2一kp(kp一1) (4)因为在低速和零频时，此时磁通估计的极点，其在S域的原点附近，导致对电压传感器和电机定子电阻变化非常敏感。 为此在上式观测器中引入信号，解决低速激励信号和系统稳定收敛、辨识转子速度。 其中VIv72，和72是要设计的感应电机输入量，即为添加的激励信号。 由此观测器的结构_6，用下式表示f警一一i+，+1+G)+ (5)虹dtA。 ，+(L)i+图l观测器结构Fig1Structure ofobserver定义定子电流误差ii一i、转子磁链误差， 一一、转子转速误差一0一。 由式 (5)减去式 (2)，有f鲁一A了+G+AA z+l巫dt一A12了+A。 ，十设定Lyapunov函数为一1I了l。 +1l l+1I二I。 (7)dVl了l(A+G+)+12A AL一1JL d一出中其第2期王涛等感应电机低速控制方法61l，l(+)+I I+I71(AA-z)+l，l， (8)f1一一C1i一(A11+G)i1一企J2一一C2一A2l il一l(AA z)+综上有0，0 (9)根据Lyapunov稳定性定理，由式 (9)可以看出观测电流值会趋近实际电流值；转子转速跟随实际值，可以在线辨识转子速度；同时转子磁链渐近跟踪参考磁链，能够保证设计方法的性能稳定性和快速收敛性。 3仿真算例结果对一台鼠笼式感应电机，其参数额定功率P一35kW，额定电压U一380V，额定频率f一50Hz，定子电阻R一04Q，转子电阻R一05Q，L一0087H，互感L一0085H，L一0088H，极对数一2，J一00876kgm，利用Matlabsimulink进行仿真。 仿真结果如图2和图3所示。 一司一l tls(a)实际转子速度，一，一tls(b)辨识转子速度_0051152253ts(c)辨识与实际转子速度的误差图2低速段的速度估计Fig2Speed estimationat verylowspeed subsection设定感应电机负载转矩为一定值，其大小为15Nin。 参考模型是有速度传感器的闭环系统，转子速度自适应系统为无速度传感器系统，其转速跟踪参考模型输出值。 仿真时电机的实际转速指参考模型的输出值。 设定转子转速参考值一8rads，电机实际转速如仿真图2(a)所示，辨识转子转速如仿真图2(b)所示，电机转速与辨识转速的误差，如仿真图2(c)所示，实际转速很快能够收敛于转速参考值，感应电机启动时，辨识转速与实际转速之间有一个较大的波动误差，产生原因为参考模型系统的转子转速值，在启动瞬间有突变，导致自适应模型系统的转子速度有剧烈的波动，但是02S后，辨识转速能很快的趋近实际转速。 设定转子转速参考值=0rads，电机实际转速如仿真图3(a)所示，辨识转子转速如仿真图3(b)所示，电机转速与辨识转速的误差，如仿真图3(c)所示，实际转速很快能够收敛于转速参考值，感应电机启动时，辨识转速与实际转速之间有一个较大的波动误差，在经过2S后，辨识转速能趋近实际转速。 可以看出在零频时，由于激励信号不足，致使转速跟踪较慢的收敛于真实值。 10一12334tls(a)实际转子速度tls(b)辨识转子速度厂、-_L仿真结果显示感应电机在低速或零速时转子62电力系统及其自动化学报第24卷转速能观测，系统有良好的调速性能和稳定性能。 4结语基于模型参考自适应方法，在其观测器中引入、，信号，采用非线性Lyapunov理论分析和证明了电机的电磁子系统的收敛性，给出交流调速系统的一种具有鲁棒性的自适应控制律，解决低速激励信号不足，达到系统稳定收敛，辨识转子速度，克服了一般矢量控制中在低速段时磁链观测不准的缺点。 理论证明该控制方案保证转子磁链、转速都能全局稳定跟踪，同时仿真结果表明系统具有良好的动静态性能，控制系统结构简明，易于实现。 参考文献123李永东交流电机数字控制系统M北京机械工业出版社，xxW angH uangang，Zhang Xiaoping，Xu Wenli，et a1The speedsensorless controlof inductionmotors atzero frequencyrCf?Fifth InternationalConference onElectrical Machines andSystem s，Shenyang，ChinaxxYamaguchi N，Hasegawa M，Doki S，el a1A stabiiization methodfor speedsensorless vectorcontrolted inductionmotors atzerofrequencyoperating condition withmultirate adaptiveobserverC30th An4E5627nual Conferenceof IEEEIndustrial ElectronicsSociety，Busan，South KoreaxxKubota H。 Matsuse K，Nakano TDSPbased speedadaptive fluxobserver ofinductionmotorJIEEE Transon IndustryApplications，1993，29 (2)344348Madadi KojabadiH，Chang LModel referenceadap tivesystem pseudoreducedorder fluxobserver forverylowspeedandzero speedestimation insensorless inductionmotor drivesc33rd AnnualIEEE PowerElectronics SpecialistsConference，Cairns，Australiaxx肖建现代控制系统综合与设计M北京中国铁道出版社，2000顾德英，季正东，张平(Gu Deying，Ji Zhengdong，Zhang Ping)基于SIMULINK的异步电机的建模与仿真(Modeling andsimulation ofasynchronous motorsbased onSIMUI INK)EJ电力系统及其自动化学报(Proceedings ofthe CSUEPSA)，xx，15 (2)7173作者简介王涛(1972一)，男，副教授，博士，研究方向为交流调速控制。 Emailwangtao618126corn徐英雷(1973一)，男，副教授，硕士，研究方向为电机控制。 EmaiIxuyingleiho