异步电机无速度传感器矢量控制策略综述

1 异步电动机无速度传感器矢量控制策略综述异步电动机无速度传感器矢量控制策略综述 曹少中 北京印刷学院 信息与机电工程学院 北京 102600 摘要 摘要 无速度传感器控制是当前国内外交流电机传动的热点 本文以近两年发表在国际重 要学术期刊和会议上的相关学术论文为主要调研对象 对于异步电动机无速度传感器矢量 控制策略进行了综述 介绍了近年来国际上无速度传感器控制的传统策略和新进展 直接 计算法 模型参考自适应法 转速观测器法 磁链观测器法 信号注入法 人工智能方法 等 阐述了这些常见转速估计方法的理论要点 并对以上方法进行了分析比较 指出了各 种方法的优缺点和适用范围 最后 对今后的研究方向提出了自己的建议 关键词 关键词 异步电动机 无速度传感器 控制策略 Review the Strategy for Speed Sensorless Vector Control of Asynchronous Motors CAO Shao zhong 1 School of Information speed sensorless control strategy 1 引言引言 异步电动机因其结构简单 坚固耐用 运行可靠 成本低 易维护 可适合于大容量 调速和工作于恶劣环境等优点 在工业领域得到了广泛的应用 长期以来 人们一直期望 将异步电动机应用到高性能调速系统中去 但是 由于异步电动机是一个多变量 非线性 强耦合的复杂系统 目前仍然没有很好的方法解决它的高精度控制问题 使得异步电动机 的调速性能无法和永磁同步电机相媲美 因此异步电动机控制系统性能的改进一直是交流 调速领域研究的热点 随着异步电动机矢量控制技术的进步 异步电动机的控制精度和性能显著提高 在高 性能的异步电动机矢量控制系统中 转速的闭环控制是必不可少的 通常 采用光电编码 器等速度传感器测量电机转速 但在实际的系统中 传感器的存在不仅增加了系统成本 易受工作环境影响 同时也降低了系统的可靠性 因此 无速度传感器交流调速系统成为 基金项目 北京市自然科学基金资助项目 4092013 北京市属高等学校人才强教计划资 助项目 TXM2007 014223 044661 北京市教委科技面上项目 KM200810015003 北京 印刷学院引进人才项目 09170107019 北京印刷学院科技重点项目 2 近年研究热点 国际上已成功的开发出了多种系列的无速度传感器高性能通用变频器产品 为了缩短与国外的差距 很多学校和企业都在进行研发工作 但从总体上看 国内的研究 主要是学习国外的文献 罗列国外的成果 吸收和模仿国外的产品 尚缺乏创新的成就 无速度传感器矢量控制技术的关键 在于理论上控制系统的正确辨识和参数的准确估 计 应用上所研究的算法在硬件系统上的可行性 实时性 和可靠性 目前 国内外的研 究者们已提出了许多不同的异步电动机无速度传感器转速估计策略 本文简要介绍几种常 见无速度传感器控制策略 2 无速度传感器矢量控制策略无速度传感器矢量控制策略 2 1 直接计算方法直接计算方法 这种方法的出发点是根据电机的基本电路和电磁关系式 推导出关于转速或转子位置 角的估计表达式 包括基于状态方程的直接综合法 基于检测电机端电压和电流直接计算 法 1 转差频率法 2 反电动势法 时频分析方法以及基于转矩电流微分的动态计算法 3 等 利用电压和电流中转速信息直接计算法的主要优点是 算法简单 容易实现 动态响应没 有延时 主要缺点是 转速的计算需要已知磁链 磁链观测与控制的准确性直接影响转速辨 识精度 转速估计值对电机参数依赖很大 当电机参数变化时 系统的稳态和动态性能都要受 到很大的影响 特别是在低速时 由于磁链由反电动势积分求得 积分器的零漂问题使计算 出的磁链值含有积分误差 转速的计算精度将降低 4 反电动势法通过检测电机反电动势 Back EMF 来获得位置信号 一般将非导通绕组的 端电压或相电压中反映出来的感应电动势作为反电动势 这种方法容易实现 但往往带有 很多噪声信号 并且在电动机低速或转子止转时不适用 时频分析方法通过快速傅里叶变换分析空间矢量角波动信号 而这个信号对应于转子 转速 这种方法的优点是适用于没有固定基波频率的电机的动态过程 缺点是计算量大且 计算复杂 5 为了降低频率失真及快速傅里叶变换的误差 引入了多项式近似方法得到频 率校正的公式 同时使谐振分析更加准确 6 由于转速直接计算方法不存在任何误差校正环节 因此抗干扰能力和鲁棒性较差 甚至出 现不稳定的情况 另外 定子电阻 转子时间常数都随温度变化而变化 电感要受电流集肤效 应以及磁饱和的影响 总之 为了提高系统抗参数变化和干扰的鲁棒性 在实际控制系统 中 一般加上参数辨识和误差校正环节 2 2 模型参考自适应法模型参考自适应法 模型参考自适应法 Model Reference Adaptive System MRAS 是利用两套不同的输入 变量 两个不同结构的电机模型来估计电机的同一变量 其中 不涉及被估计量的电机模型 被称为参考模型 涉及到被估计量的电机模型被称为自适应模型 7 如图 1 所示 利用这两个 模型输出量的误差通过辨识算法产生一个转速的估计值 再利用转速估计值来修正自适应 模型 当自适应模型的输出和参考模型的输出完全相等时 理论上辨识算法模块的输出就等于 电机实际转速 否则辨识算法模块将不断调节 直到满足误差要求 参考模型和自适应模型 的输出可以选择转子磁链空间矢量 反电动势 无功功率等 MRAS 速度观测器的运算公 式 1 rcurrrcurr E 2 rpi KEKEdt 其中分别为电流模型得到的磁链观测值 分别为电压模型得到的磁链观测值 rcurrcur rr 3 MRAS可以采用不同的状态变量作为速度整定信号 但是在实际使用过程中 必须尽量提 高参考模型的精度 这就要求参考模型尽量不依赖于电机参数 特别是随运行工况变化较大 的参数 以及不含纯积分环节 因为纯积分环节存在积分初始值 磁饱和 saturation problem 相误差 the phase error 和直流飘移 DC drift 的累加问题 在实际中 通常用低通滤波器代替 纯积分 并可采用基于电流的定子电阻扰动补偿方法使磁链估计不受定子电阻的影响 8 或 者在参考模型和可调模型的高通滤波环节中插入一个线性传递函数来抵消纯积分的影响 9 电压模型 电流模型 辨识算法 s U s i r r e 图1 模型参考自适应系统基本原理 日本学者 T Ohtani 在转子磁链参考系中提出了一种理论意义上的转速辨识方法 PI 自 适应法 这种方法是 MRAS 法的一种变形 他提出了用定子电流转矩分量参考值与估计值 之差得到转速的信息的方法 利用 PI 调节器对上述差值进行处理 合理设计 PI 调节器的 参数 可以对转子转速进行辨识 此方法的算法比上述方法大为简化 但由于没有确定的 参考模型 即无法保证转矩电流指令值 或转矩指令值 的准确性 因此实用性有待技术的 突破 文献 10 在 MARS 中采用带 PI 自适应反馈项校正的改进型积分环节 使低速区动态 和稳态运行性能得到改善 MARS 的性能很大程度上依赖于图 1 中辨识算法环节自适应律的确定 当前 主要有 以局部参数最优化理论 李雅普诺夫稳定性理论 波波夫稳定性理论为基础的 3 种设计自 适应律的方法 11 第一种方法不能保证系统的稳定性 所以常采用后两种方法 这些方法 的自适应模型都是确定的数学模型 便于数字实现 然而使用数学模型不同程度地影响了转 速估计的精度和鲁棒性 采用基于人工智能 神经网络 12 模糊控制 13 等 的非线性自适应 模型可以解决模型参考自适应方法目前存在的问题 2 3 转速观测器法转速观测器法 观测器的实质是状态重构 其原理是重新构造一个系统 利用原系统中可以直接量测 的变量作为它的输入信号 并使其输出信号在一定条件下等价于原系统的状态 当前研究 较多的转速观测器主要有 卡尔曼滤波器 龙贝格观测器 自适应观测器以及滑模观测器 等 卡尔曼滤波器 Kalman Filter 是R E Kalman在20世纪60年代提出的一种线性最小方差 意义上的最优预测估计的递推计算方法 该算法可实现采集数据与计算的同步 且计算可 由硬件在线完成 它的特点是可以有效削弱随机干扰和测量噪声的影响 扩展卡尔曼滤波 算法是线性系统状态估计的卡尔曼滤波器在非线性系统中的推广应用 扩展卡尔曼滤波算 法提供了一种迭代形式的非线性估计方法 避免了对测量量的微分计算 通过对Q阵和R阵的 选择可以调节状态收敛的速度 基于感应电机逆伽马模型的扩展卡尔曼滤波器 把电机参 数的变化当做状态噪声 应用在矢量控制上大大提高了控制精度和稳态运行速度范围 14 然而 扩展卡尔曼滤波算法计算量很大 且是建立在对误差和测量噪声的统计特性已知的基 础上的 需要在实践中摸索出合适的特性参数 此外 该方法对参数变化的鲁棒性并无改进 目前 实用性还不强 并且实现起来比较困难 与扩展卡尔曼滤波器相比 降价卡尔曼滤波器的复杂度降低 硬件计算所需时间减少 用降价卡尔曼滤波器来观测负载转矩 能有效的降低由于负载转矩突然改变而引起的转矩 4 律动 15 时延 Delayed state 卡尔曼滤波器在定子参考坐标系中 用定子磁链的数学模型和 定子电压方程作为观测器模型 能准确的估计定子瞬态磁链 Salvatore N在时延卡尔曼滤 波器中分别引入遗传算法和进化算法来优化自己的研究成果 取得了很好的效果 16 基本龙贝格观测器 Luenberger Observer 适用于线性时不变确定性系统 扩展的 Luenberger观测器 ELO 可以适用于非线性时变确定性系统 文献 17 中的扩展龙贝格观测 器不仅观测漏磁链和转速 还利用电机的机械模型观测负载转矩 得到了更为平滑和准确 的速度估计 在ELO中将转速看成是状态变量 ELO在观测磁链的同时观测了转速 ELO与 EKF相比具有算法简单 便于调节的优点 C Schauder在1989年发表了采用自适应观测器方法来估计异步电动机的速度和位置 的文章 极大地推动了自适应观测器方法在异步电动机的无速度矢量控制系统中的应 用 文献 18 用自适应扰动观测器作为模糊PI自校正鲁棒速度控制器的前馈环节 获得 很好的动态性能 文献 19 利用自适应观测器建立了统一稳定可行的误差估计动力学 并较准确地估计了磁链 角速度 负载转矩和定子电阻 自适应全阶状态观测器受电 机参数变化的影响很大 而且需要附加的状态观测器来估计电动机的参数 使无机械 传感器传动系统的估计算法变得复杂 麻省理工学院的Slotine J J在1986年召开的第25届决策和控制会议上 探讨了滑模观测 器的非线性估计问题 引起了人们对滑模观测器的兴趣 滑模观测器针对参数扰动鲁棒性 强的特点 把一般状态观测器中的控制回路改成滑模变结构的形式 滑模变结构控制的本 质是滑模运动 通过结构变换开关 以很高的频率来回切换 使状态的运动点以很小的幅 度在相平面上运动 最终运动到稳定点 文献 20 设计了线性矩阵不等式表示的模糊滑模 观测器 对参数不确定和外部干扰具有一定的鲁棒性 文献 21 用滑模控制器取代传统的 PI调节器以增强鲁棒性和快速反应能力 同时采用滑模观测器观测定子转速和磁链 文献 22 介 绍了一种新型滑模观测器 只用测量的定子电流就可估计转速 磁通和负载转矩 2 4 磁链观测器法磁链观测器法 磁链观测器主要分为 23 电流型磁链观测器 电压型磁链观测器以及改进的电流或 电压型磁链观测器 24 由旋转坐标系下电机数学模型可以得到电流型转子磁链模型 3 1 rrrms r r jTLi T p 由定子端电流的检测 经过坐标变换 得到定子电流 d 轴分量 同时在电机参数一 sd i 定 转子绕组间互感和电机转子时间常数已知的条件下 可以由上式将转子磁链计算 m L r 出来 其框图如图 2 所示 5 Lm j e r Is Is r s r Lr M RS Ls 电机 r Vs is 图 2 异步电动机开环磁链观测电流模型 图 3 电压型转子磁链观测器 电流模型可以不用定子侧参数 但过于依赖电机转子参数 如转子时间常数和转子 r 转速 这些量的存在都会使得电流模型磁链观测器在低速时的性能欠佳 r 根据异步电动机方程 可推出电压型转子磁链模型表达式 4 r rssss s m L Vi R dtL i L 电压模型可以根据加在电机上定子的电压与电机定子电流经过积分计算估计出转子磁 链 这个模型的框图如图3所示 为了去除反电动势的直流偏置 DC offset 文献 25 采用 了高阶低通滤波器来取代纯积分器 定子磁链对应于定子电阻上的压降 故也可观测定子磁链获得转速信息 文献 26 辅 以正交最小二乘法改进的小波神经网络来辨识定子电阻 以改进低速动态性能 为了解决 磁链观测器在电机高速运行时 信号处理中的欧拉离散化出现不稳定的问题 文献 27 将 转子磁链和定子磁链在各自的参考坐标系中做为状态变量 来计算出需要测量的转子速度 近年来 对几种磁链观测器与速度观测器的研究逐渐交融 形成了一些新的无速度传 感器控制策略 滑模磁链观测器 28 卡尔曼滤波磁链观测器 29 自适应磁链观测器 30 模 型参考自适应磁链观测器以及神经网络磁链观测器 31 等等 2 5 信号信号注入法注入法 美国威斯康辛大学的Lorenz等学者为了解决电动机低速时转子位置和速度估算不准确 的问题 提出了高频信号注入法 高频注入是基于转子凸极跟踪的原理 基本思想是注入一 个额外的电压或电流激励信号 通过检测相应的响应信号以确定转子的凸极位置 从而实现对 转子位置和转速的估计 这种方法包括旋转高频电压信号注入法和脉振高频电压信号注入法 这种凸极跟踪的方法不依赖于任何电机参数和运行环境 因此可以工作在极低速甚至零速 运行状态 而且系统的计算量不大 是目前无速度传感器控制中较理想的方法 在最初提出的旋转高频电压矢量注入的基础上 近几年信号注入法又有了新的研究进 展 脉动高频信号注入法仅在d q轴系中的d轴上注入脉动高频信号 观测转子位置角的估 计误差 它比旋转高频信号注入法基于开环观测的方法精度高 且适用于凸极小的电机 高频信号注入时还需考虑交叉饱和项的影响 高频响应的电流由与转子位置无关的正 序分量和与转子位置有关的负序分量组成 由于交叉饱和项的影响 负序相位中参杂了误 差项 故需在负序电流解调估测的位置基础上补偿误差项 与高频信号注入类似 低频信号注入法是在同步旋转坐标系下注入谐波矢量 该方法 不依赖转子凸极 是一个动态调节的过程 缺点是带来了脉动转速和转矩 影响了电机的 6 性能 不适于低速场合 32 直流侧定子电压电流波形重构法是一种闭环控制 反馈信号包 括转速 磁链和转矩 该方法的优点是不受电压频率的限制 缺点是必须在直流侧安装一 个传感器 使系统复杂化 系统成本也增高了 33 与信号注入法同属基于电机谐波模型的无传感器控制方法还有转子齿槽谐波检测法 早在1979年Ishida就提出利用转子齿槽谐波电势计算转差频率的设想 但当时这种方法在低 速时难以用谱分析提取转速 随着小波技术的发展 现在用解析小波变换方法可以提取转 速 使得人们又开始重新关注齿槽谐波检测法的应用 2 6 人工智能方法人工智能方法 进入20世纪90年代 交流电气传动系统的控制方案逐步走向多元化 人工智能 包括神 经网络 模糊逻辑控制 专家系统等 在高性能交流电机调速系统中获得了广泛研究 由于神经网络具有自适应 自学习 容错性等优点 弥补了传统的PI调节器自适应辨识 的不足 因此广泛用于电机的转速估计 对电机参数变化和噪声具有很强的鲁棒性 不使用 依赖于转速的电机数学模型 目前提出的神经网络转速估计方法大多基于模型参考自适应 理论 31 该估计器通过比较电压模型 参考模型 和电流模型 可调节模型 输出的转子磁链或 电动势 无功功率等 采用神经网络估计转子磁链跟踪转子磁链给定值 从而使估计转速跟踪 实际转速 并使其对参数的变化和系统的噪声具有很好的鲁棒性 较DSP估计器而言 神经 网络估计器的优点是 计算速度快 抗谐波干扰 缺点是 反复的训练会花费大量时间 模糊逻辑控制目前的主要应用是与其它控制算法相结合 用模糊控制器取代其中传统 的PI控制器 13 20 或在传统的PI调节的基础上加入模糊自校正环节 18 增强对电机参数变 化和噪声干扰的鲁棒性 一般来说 基于人工智能的方法在理论研究上还不太成熟 其硬件实现有一定难度 通常需要专门的硬件来支持 离实用化还有一段距离 但相信在不久的将来 随着智能控 制理论与应用的日益完善 数值计算工具功能的改进 基于人工智能方法的无速度传感器 控制将会给交流传动领域带来革命性的变化 2 3 结论结论 本文简要介绍了无速度传感器控制策略三大类 基波模型 直接计算法 模型参考自适 应法 转速观测器法 磁链观测器法等 谐波模型和人工智能中几种无速度传感器矢量控 制的转速估计方法 这些方法各有其优缺点和应用范围 仍存在许多问题有待解决和改进 在具体的应用中 应将多种方法结合起来使用 今后的研究方向应该是 1 考虑更多的影响电机控制性能的因素 建立更精确的数学模型 2 利用人工智能方法 避免因建模过于复杂而难以实现对电机的控制 3 提出新的控制理论或优化现有控制算法 4 将算法通过数字信号处理技术应用在硬件系统上 具体的研究目标应该是 采用更新的控制理论和信号处理技术改进全速度区域特别是 零速附近区域的无速度传感器控制性能 对定子 转子电阻 电感等参数变化进行准确的 辨识和及时的补偿 提高系统的抗噪声 抗干扰能力 自适应能力和参数鲁棒性 减少位 置和速度估计带来的附加损耗 提高电机的效率 稳定性和控制精度 参考文献参考文献 1 Bolognani S Peretti L Zigliotto M Parameter Sensitivity Analysis of an Improved Open Loop Speed Estimate for Induction Motor Drives IEEE Trans Pow Electron 2008 23 4 2127 2135 2 赵光宙 黄雷 交流传动的无速度传感器技术综述 J 电气传动 2008 27 4 20 26 3 Liu Xu Ruan Yi et al On speed sensorless vector control system for induction motor based on estimating speed by torque current differential CCC 2008 27th Chinese pp 169 173 2008 4 Pellegrino G Guglielmi et al Self Commissioning Algorithm for Inverter Non Linearity Compensation in Sensorless induction motor Drives IEEE pp 1 7 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