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无速度传感器控制技术

    传统调速系统中一般采用安装速度传感器、测速发电机或增量式光电编码器来获取反馈速度,但机械上的误差还会影响检测精度和控制性能降低可靠性,增加了电动机安装和维护上的困难;所以无速度传感器传动系统成为研究的重点,速度传感器的设置增加了系统的复杂性,降低了系统的可靠性和系统的鲁棒性,增加了系统成本和维护要求。使用RLS(最小方差)、MRAS(模型参考自适应)、观测器、卡尔曼滤波器、神经网络等各自不同的技术推定电机的转速。通过应用这些方法,无速度传感器即可进行非同步电机的控制运行。但是,如果电动机的转速接近零速或者过零速,则在许多方法中性能降低,控制系统的低速性能降低。在一些提案中,采用鲁棒的推定技术,通过自动调整和在线调整技术来降低速度推定的误差。在这些方法中,慢速动作范围会扩大,但其优点也会影响复杂性。

    无速度传感器技术的发展初期,从电机稳定模型导出滑差频率的公式。该方法的出发点是稳态方程式,调速范围小,动态性能差,无法满足高性能调速系统的要求。之后,根据电动机的动态冲击方程式设计了电动机的开环动态速度推定器。现在显示的动态速度推定机主要有以下4种形式。

 从交流电动机的转速式n = 60 f1/p(1- s )可知,为了改变电动机的转速,可以通过改变极对数p、滑差率s或定子电压频率f1来实现。改变p是有极调速,调速范围有限,但这种方法少。滑差率的变更是通过改变转子的电阻和定子电压来实现的调压调速装置。其缺点在于,在调速中存在与滑差率s成正比滑差损失,降低电动机的效率,由于该方法能够简便地实现,因此现在仍在使用中。交流电动机的变频器调速系统是各种调速系统中最佳的电力拖曳系统,不仅能实现无调速,而且能根据不同电动机的负载特性适当调整频率和电压的关系,使电动机始终在高效率区域动作,维持良好的动作特性。采用变频器启动提高了电机的启动性,大幅度降低了启动电流,增加了启动转矩。这里主要介绍变频器系统中的矢量控制和直接转矩控制。

    70年代西门子制工程师F.B laschke首先为了解决交流电动机的转矩控制问题,提出了交流非同步电动机矢量控制理论(简称VC )。具体而言,将交流电动机定子电流分解为产生励磁的励磁电流成分和产生转矩的转矩电流成分,分别进行控制,同时,控制两成分的振幅和相位,即,控制定子电流矢量,使交流电动机的调速系统的静动性能与直流电动机相当。但是,在该方法中,需要经过坐标变换,其调速中计算量大。经过30年以上的产品开发和工程实践,矢量控制( VC )的原理完善,广泛应用于交流电机控制。例如,矢量控制算法适用于Siemens、abb、ge、fuji等国际化大企业变频器。现在,新型矢量控制通用逆变器中搭载了非同步电机的参数自动检测、自动辨别、适应等功能,能够辨别电机的参数,根据其结果调整与控制算法相关的参数。

    1985年德国卢阿大学M. Denbrock授提出了与矢量控制不同交流电动机的控制原理,即直接转矩( DTC )控制。将电机和逆变器一体化,使用空间电压矢量SVPWM分析方法,在定子坐标系中进行磁通、转矩计算,根据追随型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。直接转矩控制不需要转换旋转坐标,在静止坐标系上控制转矩和锁定磁通,转矩响应速度快,控制结构简单,通过流行控制实现PWM控制战略和高动态性能。但是DTC控制系统转矩脉动大,特别是低速时更显着。根据其脉动较大的特征,国内外学者也进行了几项研究,提出了许多改善措施,例如直接对转矩控制的感应电动机进行转矩锁的加权最佳控制。

    DTC控制技术的提案引起了学界的重大关注和关注,经过发展和改进,得到了广泛的应用。1995年瑞士abb公司首次将DTC技术应用于通用逆变器,发布了使用DTC技术的icbt脉冲宽度调制逆变器ACS 600,高压逆变器AC 1000和逆变器ASC 6000也采用了DTC技术。

    模型参照适应( MRAS)法是基于稳定性设计的参数识别法,虽然保证了参数推定的收敛性,但参照模型自身的参数精度直接影响速度识别和系统的动作性能。MRAS法在工序中经常使用,其主要缺点在于低速时不稳定,精度差。通过使用基于适应全部诱电状态观测器的转子锁定磁通观测值、定子电流再构成值和测定值的偏差的闭环特性的速度辨别方法,避免了开环积分。可期待进一步抑制测量。Luenberger观测器和Slide滑块观测器属于此类,slid2ing滑块观测器由于非线性而产生抖动。卡尔曼滤波器法用于电动机转速计算,计算值与实际值非常接近,即使在低速的情况下误差也小。但是,电机参数的影响较大,需要考虑电机运行中的温度对参数的影响。神经网络具有自我学习能力,基于神经网络的速度推定精度高,低速性能好,但实现复杂的学习算法需要相当长的时间,适用于时实性高的控制系统受到限制,随着高性能、高速的电子设备的出现,神经网络。其他速度推定算法有动态速度推定器、转子齿高次谐波法、高频注入法、表法等。 但是,现在没有理想的算法可以在不受低速性能和参数变化的影响下同时解决高速计算方法

    M.Depenbrock教授提出的直接自我控制( DSC ),特别适用于高压高输出低开关频率的电力牵引交流传动系统。大功率动力运行通常GTO开关元件的开关频率为250 Hz左右,磁场取向控制等附带svwm的控制方式在高旋转区域需要采用同步调制技术。与DSC相比,同步调制不能充分利用开关频率,具有更高变换尖峰电流、电动机高次谐波损失及转矩脉动,存在同步调制和方波平滑过渡的问题。随着电力电子技术的迅速发展,开关频率高的IGBT器件成为电力牵引等中电力领域,例如地铁、光导的主流器件,开关频率也提高到1 khz。相反,DSC开关频率不固定,电流正弦性差,高次谐波含量高的缺点正在显现化。间接定子量控制( isc )是将DSC和svwm控制方式的优点组合起来的新的控制方式,开关频率固定直接控制转矩,通过具有DSC独特的动态弱磁场控制,满足电力牵引的恒定电力弱磁场控制的高性能要求,电力牵引,例如等电力的地下。

 一、无速度传感器控制的优越性

    通常,使用光线盘等速度传感器进行速度检测,反馈速度信号来进行速度闭环控制。但是,采用无速度传感器控制时的优点很明显。

 (1)系统的成本削减:精度越高的代码轮价格越高。

 (2)增大电机的电力:交流传动电动汽车组的控制系统主要部件都在车下,由于空间有限,因此,增大电机的电力比较困难。只要取消速度传感器,就能相应地提高马达的动力,能降低车重。

 (3)可靠性、维护性:减小电机轴向体积,使电机的维护变得容易,同时电机的安装变得简单,系统的机械鲁棒性提高。无需考虑传感器本身的机械故障和环境影响、应答的故障对策等。

 (4)提高固定控制:电气响应速度明显快于使用速度传感器时的检测速度,延迟时间短,缩短了空转滑行的检测处理时间。


  二、非同步电机的等效电路模型及直接转矩控制原理

   2.1非同步电机等效回路型号

       非同步电机γ形等效电路图所示。

 

1.png

       非同步电机等效电路

        2.png                                                (式2-1 )

                                                        (式2-2 )

                                                        (式2-3 )

                                                        (式2-4 )

                                                        (式2-5 )

                                                        (式2-6 )

 


  其中,

3.png

  2.2直接驱动转矩控制的基本原理

 根据电动机的统一理论可知,式3-6的电动机转矩式,转矩的大小明显与定子锁定磁通宽度、转子锁定磁通宽度和磁通角θ的正弦积成正比,在实际运转中,为了充分利用电动机铁心,一般控制的振幅为一定值,转矩的大小固定。主要由负荷决定的大小。为了变更非同步电机转矩大小,可以通过变更磁通角θ来实现。  在直接驱动转矩控制系统中,通过选择合理的非零矢量和零矢量的作用顺序和时间,调整定子锁定磁通矢量的移动速度,变更为转矩角θ的大小,实现电机转矩的控制。

      直接扭矩控制系统的基本构成框图

4.png

      即,实现非同步电机直接驱动转矩控制系统的基本结构框图。该系统使用一对磁滞比较器和锁链磁通位置判别装置,根据开关选择表决定最佳电压矢量,使用速度pi调整器一边进行旋转速度调整一边产生所希望转矩。电机的定子锁定磁通通过积分器(式2-2 )计算,电磁转矩通过(式2-6 )计算。


  三、直接转矩控制在交流电车调速上的应用

    3.1直接转矩控制的特点是AC电车的调速。

     a .速度无直接转矩控制是以制作转子磁通为前提条件,因此交流电车要求在数百毫秒的短时间内开始推定转子频率的励磁,计算转矩。

     b .电动汽车组在坡道上启动时有时会后退,要求即使在这样的状态下也能产生必要的转矩。但是,在无速度传感器控制中,在感应电压比较小的非常低的速度范围内,根据转子频率推定原理分析的推定精度比较低,转矩控制精度恶化。 因此,在非常低速的速度范围内,各种转速推定方法采用与通常不同的控制算法,为了避免控制精度的恶化,需要事先脱机确定电压误差的主要原因。

     c .电动汽车组的粘合力是受外界自然条件影响较大的因素,导轨湿润时粘合力的最大值,即所希望的粘合力降低,车轮转速急剧增加,发生所谓的空转和打滑现象。滑动速度变大,粘合力降低,难以自然地恢复粘合,因此需要再粘合控制。 电车可以维持高电动汽车组的加减速性能,确保电动汽车组的运行时间。

   3.2直接转矩控制的改良方案

     对于电动汽车集团的特点,以往的直接转矩控制不能满足其特殊要求,作者提出了改良方案。考虑到电压型转子锁链推定模型中纯积分节固有的漂移问题和累积误差有可能影响实际的系统性能,将式(式3-2 )的积分项置换为滞后项,导入转子锁链基准值,使滞后项的时间常数相等。 对应的转子锁

     

5.png

                                改良后的电压型转子锁链推定模型

            6.png                                     (式3-1 )

                                                 (式3-2 )


                                             (式3-3 )

                                             (式3-4 )


     为了在正交列车上实现无速度传感器的非同步电机控制系统,需要取代带速度传感器的非同步电机控制系统,正确地识别速度。本文采用的速度推定方法是pi调节器适应法(简称pi适应法)。pi适应法被认为是模型参照适应法的变形,灵活运用控制系统的现有结构,在此基础上使用pi调节器推定旋转速度,其结构比模型参照适应法简单,性能良好。在此,以不包含实际转速的转子锁定方程式以及坐标变换方程式为参照模型,以包含应该确定的转速的pi适应率为调整模型,将定子电流转矩成分作为比较输出量,使用比例积分适应法进行速度推定。其结构如图示。

 

7.png

     带pi调压阀的适应速度识别模型



      改良的直接转矩控制系统如图所示

8.png

     该系统使用pi适应法推定速度,使用改良电压型转子锁链模型推定转子锁链,速度调节器、转矩调节器、磁通调节器全部使用pi控制。图中UMC是考虑t轴成分it的影响而导出的定子电压磁通成分的补偿量。utc是考虑到m轴成分的影响而导入的定子电压转矩成分的修正量。 该控制系统的主处理器采用ti公司的DSP(TM S320C32)。通过DSP的强大计算功能,实时进行与无速度传感器非同步电机矢量控制系统中的坐标变换、转子磁通推定、转子磁通环、转矩环、转速环等相关的数据计算,直接控制变换器的开关管,对最终得到的PWM信号进行控制。主电路的开关元件采用智能模块IPM,主电路通过控制电源电压、过电压、过电流、过热的硬件保护,保证系统的安全运行。


 四、模拟结果的分析

     实验用非同步牵引电机额定功率450 kw。 Rs=0.0483Ω,Rr=0.0435Ω,Lσ =0.00107H,Lμ=0.0196H,极对数p = 3。 实验用IGBT牵引变流器、额定容量600 kva、变频器开关频率450 Hz、比较用速度传感器90脉冲/旋转。主处理器是ti浮点DSP 320 c 31和固定点DSP TMS320F240。 实验采集的波形如图所示。

 

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  电压型转子锁交磁通推定模型的模拟结果

 

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    改良的锁链磁通推定模型的模拟结果

     改良的直接转矩控制定子锁链观测精度高,电机运转更顺畅,输出转矩脉动小,响应速度快,电机启动快,转矩启动稳定的时间为25 ms左右,转速1200 r至400 r稳定的时间为10ms左右,较大。

 五、结论。

     本文从直接转矩控制的基本原理、非同步电机的数学模型及适应磁链观测器的理论推导出发,考虑到牵引电机的调速控制特征,对以往的直接转矩控制模型进行改良,从模拟效果来看完全可能。

     速度无传感器控制技术在交流车辆上的应用也越来越广泛,例如日本的轻轨和地铁上速度无传感器矢量控制的电动汽车群已经开始运行,在我国这方面的研究已经落后,取得了很大的成果,速度无传感器控制技术。

     都睿感控科技公司设计开发的传感器,包括霍尔传感器等各类型,满足客户的需求。

  


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