無位置傳感器交流電機動態磁通轉矩伺服控制

    陳在平(天津理工學院300050)

    【摘  要】簡述交流電機動態磁通轉矩控制的基本工作原理，提出了基于定子磁鏈比值法的位置觀測器以及相應的磁通觀測模型。由于這一方案無需進行參數辨識，計算簡單，因此適合應用于無位置傳感器的交流電機磁通轉矩伺服控制。

1  引  言

    伺服驅動用感應電動機由于結構簡單、價格低廉、維護方便，因此目前在伺服系統中仍獲得廣泛應用。雖然矢量控制技術的發展使得交流電機伺服系統的控制獲得了較好的解決，但由于這種控制技術所進行的各種變換與計算十分復雜，加之電機參數的變化對矢量控制特性的敏感性，因而系統實現這種控制具有一定的難度，而且實際控制效果有時也很難達到理論分析的水平。電機動態磁通轉矩控制，它不涉及矢量控制中的各種變換與解耦處理，而是通過在固定坐標系下直接對定子磁通與轉矩進行計算、估計，實現電機磁通與轉矩的動態控制。由于其算法簡單，實時性好，因而適合伺服控制系統。然而在系統中位置傳感器的存在會造成系統成本增加，同時往往又降低了可靠性，因而近年來關于無位置傳感器控制系統的研究工作在交流伺服控制領域中獲得了極大的重視，并取得了一定的進展，但在動態磁通轉矩控制方面的應用確很少涉足。本文所提出的磁通觀測模型與位置觀測器，無需進行參數辨識，并且計算量很少，因而構成的伺服系統能充分發揮動態磁通轉矩控制算法簡單的優勢。

2基于定子磁通鏈比值法的位置觀測器

    在固定坐標系下，定子電壓方程為：

由上式不難看出，忽略定子電阻壓降，定子磁通鏈將沿us(s)的方向運動，即通過控制逆變單元開關的適當切換，就可有效地控制定子磁通鏈按給定要求旋轉與變化。可以證明在定子磁通鏈幅值恒定時，電機轉矩將直接受定、轉子磁通鏈轉差角的影響，從而通過控制定子磁通鏈達到控制電機轉矩的目的的。因此在控制過程中，就必須實時檢測定子磁通鏈，以保證控制的需要。由電機定子電壓方程可以很方便的構造出磁通觀測模型，但由于在低頻時定子電阻壓降的影響，將導致很大的磁通估計誤差。因此，為了保證磁通估計的正確性，應在觀測模型中引入轉子轉速或位置信息，同時這也是伺服控制的要求。

考查電機機械特性，如圖1所示，由機械特性可知電機轉速將隨轉矩發生變化，在轉矩為tn時刻的對應轉速n1n，在轉矩為tn+1時刻對應轉速為n1n+1因而可以得到:

θr為轉子轉角。由于式(5)存在同步角速度ω0，因而要建立同步角速度計算模型。根據式(1)給出的定子電壓方程，可得到：

式中△t是2次計算的間隔時間。由于采用了比值法進行計算，磁通鏈的α、β分量的比值受參數變化的影響很小，因此由它可以正確確定磁通鏈的轉角與角速度，進而確定轉子轉動的角位移。考慮到電機轉矩存在如下關系：

根據式(5)、(6)、(9)、(10)、(11)即可構造出位置觀測器模型，如圖2所示。

圖2中tc為轉矩計算單元，sω為同步轉速計算單元。

3  基于定子電壓與電流的磁通觀測模型

在固定直角坐標系下，定、轉子磁通鏈方程與轉子電壓方程可寫成如下形式：

考慮到上述方程定義在α—β坐標系，根據這些方程及前面得到的位置觀測器即可得到定子磁通觀測模型，如圖3所示。

圖3中sob為轉速觀測單元。由于在觀測器中引入了轉速信息，因此可以做到電機在低速運轉時對磁通的正確估計，這對伺服控制是極為重要的。

4  無位置傳感器交流電機動態磁通轉矩伺服控制

圖4給出了電機動態磁通轉矩伺服控制系統的結構圖，系統采用電壓型逆變