基于改进MRAS观测器无速度传感器感应电机转速估计方法Word格式文档下载.docx
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statorresistanceidentifi2cation.
作者简介:
王高林（1978-,男,博士研究生,Email:
WGL818@
1 引言
近年来,感应电机无速度传感器矢量控制技术在各种工业场合应用广泛,并且获得了很大进展[1~5]。
目前转速观测方法基本上可以分为基于电机模型计算法、PI调节器法、MRAS模型法、MRAS观测器法、卡尔曼滤波器和神经网络等方法。
其中基于MRAS全阶观测器的转速估计方法受电机参数变化和噪声干扰的影响较小,具有较好的鲁棒性,受到了国内外研究人员的广泛关注。
这种方法实现了状态的重构,可以采用稳定性理论来设计转速自适应率,并且通过设计合适的误差反馈矩阵来保证观测器的稳定性。
可以同
时对定子电阻进行在线辨识,以降低定子电阻参数变化对于观测器低速场合的准确性的影响[4~6]。
本文提出了一种改进的转速和定子电阻自适应的全阶观测器,并给出了满足观测器稳定性的误差反馈矩阵的设计方法,最后在11kW感应电机无速度传感器转子磁场定向矢量系统进行了应用。
2 感应电机全阶观测器
在两相静止坐标系下,如果将定子电流和转子磁链作为状态量,异步电机模型的状态方程为
ddtisΨr
=
11 A12A21 A22
i
s
Ψr
+
B1
us（1
5
1ELECTRICDRIVE 2009 Vol.39 No.1电气传动 2009年 第39卷 第1期
is=[C1 0]
is
Ψ
r
（2
其中is=[isα isβ]T Ψr=[Ψrα Ψrβ]T
us=[usα usβ]T
A11=a1I A12=a2（1
τ
rI-ωrJ A21=
Lm
I
A22=-
1
I+ωrJ B1
σLsI C1=
I=
1 0
0 1
J=
0 -1
a1=-（Rs
σLs+
1-σ
στ
a2=
σLsLr
r=
Lr
Rr
σ=1-L
2
m
LsLr
式中:
is,Ψr,u
s分别为定子电流、转子磁链和定子
电压矢量。
如果将定子电流误差ei作为反馈量,则可以
构建全阶自适应观测器,结构框图如图1所示。
图1 MRAS全阶观测器框图
Fig.1 SchemeofMRASfull2orderobserver
图1中,ei通过误差反馈矩阵G构成渐进状
态观测器,同时通过自适应观测器来对转速和定
子电阻进行估计。
以is和Ψr为状态量的全阶闭
环观测器可以表示为
di^s
dt
=A^11i^s+A^12Ψ^r+B1u^s-G1（i^s-is（3
dΨ^r
=A^21i^s+A^22Ψ^r-G2（i^s-
is（4
其中 G1=
g1-
g2
g2g1
G2=
g3-g4
g4g3
式中,转速是未知的参数,并将定子电阻看作是变
化的参数。
通过式（1、式（3和式（4可以得到观
测器的状态误差方程为
d
ei=（A11-G1ei+A12eΨ+
-ΔRs
σLsIi
^
s+
-ΔωrLm
σLsLrJ
Ψ^r（5
d
eΨ=（A21-G2ei+A22eΨ+ΔωrJΨ^r（6
ei,eΨ分别为定子电流和转子磁链观测误差,
ei=is-i^s,eΨ=Ψr-Ψ^r;
Δωr,ΔRs分别为转速和定
子电阻的观测误差,Δωr=ωr-ω^r,ΔRs=Rs-R^s。
将式（5和式（6进行拉氏变换,经过推导可
以得到ei与Δωr和ΔRs的关系式:
ei（s=Ge（s[Lm
Ψ^ro（ωr-ω^r-
（Rs-R^s]（7
其中 Ge（s=s
s2I+（k1I+k2Js+k3I+k4J
（8
k1=g1+
σ（
Rs
Ls
k2=g2-ωr
k3=ωr（g2+
Lmg4
σLsLr+
（g1+
Lmg3
σLsLr
k4=-ωr（g1+
（g2+
3 转速估计方法
3.1 转速自适应率及误差增益矩阵设计
转速是通过对转矩误差信号构成一个自适应
环节进行观测的,采用PI自适应率以提高观测器
的输出动态性能,转速自适应率表达式为
ω^r=（kp1+ki1∫dt（eisαΨ^rβ-eisβΨ^rα（9
在转子磁场坐标系下,观测器输出误差的开
环传递函数可以表示为
eid
eiq
G
′11（sG′12（s
G′21（sG′22（s
Ψ^r
（ωr-ω^r（10
由于只有q轴输入分量含有转速误差信息,
另外考虑到在转子磁场坐标系中分析转速自适应
非线性环节时,只涉及q轴误差分量,只需通过
G′22就可以分析转速观测系统的稳定性。
可以得
到转速观测器的单输入单输出系统,如图2所示。
图2 转子磁场旋转坐标系下的SISO误差系统框图
Fig.2 SISOblockdiagramofcurrentandspeed
observederrorsatrotorfluxframe
传函G′22可以表示为
G′22=
Lm[s3+k1s2+（ω2s+k3s+ω2sk1+ωsk4]
σLsLr（s4+b1s3+b2s2+b3s+b4
（11
61
电气传动 2009年 第39卷 第1期王高林,等:
其中 b1=
2k1 b2=k21+k2
2+2（k3-ωsk2+ωs
b3=2（2ω2
sk1+2ωsk4+k1k3+k2k4 b4=（k3-ωsk22+（k4+ωsk1
通过式（11可以方便地采用Routh2Hurwitz判据来获得满足转速观测稳定性的条件。
3.2 定子电阻在线辨识方法
选择定子电阻自适应率的输入误差信号为
εRs=-（eis
αi^sα+eisβi^sβ-λ（eisαi^sβ-eisβi^sα（12定子电阻仍然采用PI自适应率来观测:
R^s=
-（kp2+ki2∫
dtεRs
（13
式（12的自适应率输入误差项包含了电流误
差矢量与观测到的电流矢量的标量积和向量积,在标量积和向量积都收敛到零时定子电阻值将收敛到实际值,也就是只有当电流的观测值与实际值一致时,定子电阻的辨识值也是正确的。
由式（12可以看出,当λ=0时,在低速场合可能会导致不稳定。
通过选择合适的比例系数λ,可以改善低速场合观测器的稳定性。
根据误差方程,可得到ei与ΔRs的关系式为
ei（s=
-sIi^sΔRs
σLs[s2
I+（k1I+k2Js+k3I+k4J]
（14
将式（14代入式（13,可以得到εRs和ΔRs开环传递函数,开环传函的极点与电机模型的极点一致,为稳定极点。
需要设计合适的零点,使开环传函的零点位于复平面的左半面,开环传函具有稳定零点的条件为
λ=-2τr[ωs+（1+L2
ωr]
1+L2
mσLsLr
+τr（ωs-ωr2
（15
4 实验结果分析
通过图3所示的11kW感应电机无速度传感
器矢量控制系统对提出的MRAS观测器进行了验证。
采用TMS320F2812DSP芯片来实现控制算法。
实验所用感应电动机额定参数为:
Pn=11kW,Un=380V,In=23A,nn=1460r/min。
电机参
数为:
Rs=0.385Ω,Rr=0.393Ω,Lm=85.7mH,
Ls=Lr=87.6mH。
DSP系统时钟设为150MHz,PWM调制频率为10kHz,功率模块采用EUPEC的FP75R12KE3,电流信号检测采用霍尔传感器L18P50D15。
为了比较观测性能,通过一个分辨率
为1024p
的增量式编码器来检测实际转速。
图3 无速度传感器感应电机转子磁场定向控制系统
Fig.3 Sensorlessfield2orientedvectorcontrolled
inductionmotordrive
图4为电机空载正反转运行实验结果,在0s时刻转速阶跃给定为150r/min,在1.5s时刻变为-150r/min。
图5为电机带80%额定负载升降速运行实验波形,在0s时刻转速阶跃给定为75r/min,在4s时刻变为750r/min,在8s时刻再变为75r/min。
从实验结果可以看出转速观测器输出能够很好地跟踪电机转速的变化,并且稳态误差较小,磁链观测器也具有较好的观测性能
。
图4 正反转运行实验波形
Fig.4 Waveformsofforward2reverseoperation
图6为负载变化实验波形,电机先带50%额定负载稳定运行,在2s时刻卸掉全部负载,然后又在4s时刻突加50%额定负载。
可以看出转速观测器的抗负载扰动性能较好,其输出受负载变化的影响很小。
7
1王高林,等:
基于改进MRAS观测器无速度传感器感应电机转速估计方法
电气传动 2009年 第39卷 第1期
图5 升降速实验波形
Fig.5 Waveformsof
speedincreasinganddecreasing
图6 负载变化实验波形
Fig.6 Waveformsofdifferentloadoperation
图7为当定子电阻初始值不准确时（人为将
初值设为150%,在2s时刻开始对定子电阻进行在线辨识的实验结果。
可以看出定子电阻能够收敛到正确值,当定子电阻误差较大时,电机的运行转速有一定的误差,通过方案中的定子电阻的自适应可以有效地减小实际运行转速的误差。
图7 转速和定子电阻估计结果Fig.7 ωrandRsestimationresults
5 结论
本文提出了一种基于MRAS观测器的感应
电机转速估计方法,通过分析得到了观测器稳定性条件,并将这种方案应用于11kW感应电机无速度传感器矢量控制系统。
实验结果证明这种观测器具有较好的稳态和动态性能,抗负载扰动能力较强等优点,通过在线辨识定子电阻参数,观测器的鲁棒性得到了改善。
参考文献
[1]
JoachimHoltz.SensorlessControlofInductionMotorDrives[J].IEEEProceedingsoftheIEEE,2002,90（8:
1359-1394.
[2] HisaoKubota,KoukiMatsuse,TakayoshiNakano.DSP2
basedSpeedAdaptiveFluxObserverofInductionMotor[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,1993,29（2:
344-348.
[3] YangGeng,ChinTungHai.Adaptive2speedIdentification
SchemeforaVector2controlledSpeedSensorlessInverter2inductionMotorDrive[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,1993,29（4:
820-825.
[4] MarkoHinkkanen.AnalysisandDesignofFull2orderFlux
ObserversforSensorlessInductionMotors[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2004,51（5:
1033-1040.
[5] SuwankawinS,SangwongwanichS.DesignStrategyofan
AdaptiveFull2orderObserverforSpeed2sensorlessInduc2tion2motorDrives2trackingPerformanceandStabilization[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2006,53（1:
96-119.
[6] 陈硕,辻峰男,山田英二.感应电机无速度传感器矢量控制
系统的定子电阻在线辨识[J].中国电机工程学报,2003,23
（2:
88-92.
收稿日期:
2008201228修改稿日期:
2008207211
8
1电气传动 2009年 第39卷 第1期王高林,等:
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