摘要 為了提高電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的輸出精度，采用了自適應(yīng)積分算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的純積分，克服了直流偏置和積分初始值問題，尤其適用于轉(zhuǎn)子磁鏈需要改變的情況下。采用基于轉(zhuǎn)子磁鏈的模型參考自適應(yīng)(MRAS)辨識算法估算轉(zhuǎn)速，利用MATLAB 仿真軟件，對無速度傳感器異步電機矢量控制系統(tǒng)進行了仿真分析，仿真結(jié)果顯示磁鏈觀測值和轉(zhuǎn)速辨識值均能很好地跟蹤實際值，控制系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能。
關(guān)鍵字 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器；轉(zhuǎn)速辨識；Maltab；異步電機
Rebbbbbb on Simulation of Asynchronous Motor Vector Control System Based on MARS
CHAO Ze-yun , KANGYong , ZOU Xu-dong , ZHONG He-qing , XU Zhi-xin
(Huazhong University of Science&Technology, WuHan Hu bei; 430074, China)
Abstract Adaptive integration algorithms is replaced traditional pure integration to improve the output precisionof rotor flux observation based on voltage and overcome DC offset and initial integral value, It adapted to thechange of rotor flux especially. The rotor speed is estmated by MRAS based on rotor flux. A simulation model ofasynchronous motor vector control system is founded on MATLAB／Simubbbb software．The result shows thatthis control systemhas identify -cation precision and satisfactory dynamic characteristic.
Keywords rotor flux observation; motor speed distinguish; Maltab; asynchronous motor
0 引言
轉(zhuǎn)子磁鏈觀測是實現(xiàn)高性能異步電動機調(diào)速的重要環(huán)節(jié)。電壓型磁鏈觀測器主要通過對轉(zhuǎn)子電動勢的積分來獲得, 由于它受異步電動機參數(shù)影響較小,因此應(yīng)用較廣泛。但是,純積分環(huán)節(jié)存在直流漂移和積分初始值問題。這里介紹了一種帶閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器的自適應(yīng)積分器,以解決上述問題，使得磁鏈觀測器輸出具有很好的動、靜態(tài)性能[1]。
無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)省去了速度傳感器，以其調(diào)速性能的簡單性、廉價性和高可靠性成為交流傳動領(lǐng)域重要的研究課題。其核心問題是對轉(zhuǎn)子速度的準確估計，采用具有動態(tài)性能好、靜態(tài)誤差小等優(yōu)點的基于模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辨識方法(MRAS)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的在線辨識。
下面介紹利用MATLAB/Simubbbb 交互式系統(tǒng)仿真軟件，建立了異步電機的仿真模型，構(gòu)建了模塊化的異步電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型, 并對轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器和轉(zhuǎn)速辨識方案進行了詳細的仿真分析。
1 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器
根據(jù)異步電動機的基本方程，可得轉(zhuǎn)子琢、茁軸上的電動勢[2]：
式中，usα、usβ為定子軸電壓；isα、isβ為定子琢、茁軸電流；LS、Lr、Lm、RS、滓分別為定子電感、轉(zhuǎn)子電感、定轉(zhuǎn)子互感、定子電阻和漏磁系數(shù)；p為微分算子。傳統(tǒng)的電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器顯然，此觀測器中存在純積分環(huán)節(jié)，檢測電路中一旦產(chǎn)生直流偏置,積分輸出很快就會飽和。并且對于正弦信號輸入，積分初始值必須是正負峰值時，輸出才是以橫軸為中心正負對稱。否則，輸出上會有直流分量。因此，在磁場定向閉環(huán)調(diào)節(jié)時,一旦純積分環(huán)節(jié)引起轉(zhuǎn)子磁鏈的誤差，會使電動機出現(xiàn)振動,從而嚴重影響電機的安全運行。
從式（2）可以看出，在穩(wěn)態(tài)時，er α 、er β 均為正弦分量，因此追rα、追rβ 也為正弦分量，其相位滯后轉(zhuǎn)子電動勢90度，即轉(zhuǎn)子電動勢與轉(zhuǎn)子磁鏈分量正交。因此，一旦轉(zhuǎn)子電動勢的某個分量出現(xiàn)直流偏置，正交關(guān)系會被破壞，利用這一特點，本文介紹了一種自適應(yīng)補償?shù)霓D(zhuǎn)子磁鏈觀測器，原理框圖如圖1所示。其中I和II框圖分別為極坐標-卡迪爾坐標變換及其反變換。由圖1中可以看出，轉(zhuǎn)子磁鏈觀測值由兩部分組成：
式中，追1x是轉(zhuǎn)子電動勢積分項，由轉(zhuǎn)子電動勢經(jīng)過一階低通濾波得到；追2x為補償項，由轉(zhuǎn)子磁鏈的一階低通濾波得到。其中轉(zhuǎn)子磁鏈的自適應(yīng)閉環(huán)校正環(huán)節(jié)：
式中kpΨ，kiΨ分別為校正環(huán)節(jié)的比例、積分系數(shù)，其自適應(yīng)補償原理可通過圖2所示的轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子電動勢的矢量圖解釋，穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)子磁鏈矢量和轉(zhuǎn)子電動勢矢量正交，此時補償量追cmp為零，則圖1 所示的即為傳統(tǒng)電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器。一旦積分初始值或直流偏置量被引入觀測器輸入端時，過追r和e r之間的夾角酌就不再為90度，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電動勢的誤差項：
如圖2 所示，假定轉(zhuǎn)子磁鏈矢量補償分量從追2增加到追2’，則轉(zhuǎn)子磁鏈矢量與轉(zhuǎn)子電動勢矢量間的夾角酌＞90度，從而使得Δer＜0，相應(yīng)的PI 調(diào)節(jié)器輸出追cmp下降，自適應(yīng)補償?shù)慕Y(jié)果促使向初始位置移動，最終使得正交關(guān)系重新成立。因此，通過對純積分器的改進，利用自適應(yīng)補償使得積分初始值和直流偏置對轉(zhuǎn)子磁鏈觀測值的影響可以忽略不計。
2 基于模型參考自適應(yīng)的轉(zhuǎn)速辨識
異步電動機在α、β系統(tǒng)中的電流型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器為：
式中，棕r 為轉(zhuǎn)子角速度。將不含有真實轉(zhuǎn)速的電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器式（3）作為參考模型，含有待辨識轉(zhuǎn)速的電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器式（6）作為可調(diào)模型，以轉(zhuǎn)子磁鏈作為比較輸出量，采用自適應(yīng)律進行速度估計，速度的漸進收斂性由Popov的超穩(wěn)定性理論來保證。其原理框圖如圖3所示。
圖中狀態(tài)誤差為：著=追r-追軗r，模型參考自適應(yīng)增益取為：G（s）=kp+ki /s，則轉(zhuǎn)速的估計值為：
符號^表示估計值。根據(jù)模型參考自適應(yīng)原理，當誤差著趨于零時，可調(diào)模型中的參數(shù)趨于實際值，此時速度辨識值跟蹤上了真實值。
3 控制系統(tǒng)仿真模型[3~4]
建立仿真系統(tǒng)的思想為，在Matlab6.5 仿真環(huán)境下，利用Simubbbb提供的豐富的模塊庫，建立無速度傳感器異步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，仿真框圖如圖4所示。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：轉(zhuǎn)速環(huán)、磁鏈環(huán)和電流環(huán)均由PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成。根據(jù)模塊化建模的思想，將控制系統(tǒng)分割為各個功能獨立的子模塊，其中主要包括：異步電機本體模塊、轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器模塊、速度辨識模塊、坐標變換模塊、電流環(huán)控制模塊、速度環(huán)控制模塊、磁鏈環(huán)控制模塊等。通過這些功能模塊的有機整合，就可在Matlab／Simubbbb 中搭建出無速度傳感器異步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，并實現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法。
在對電機調(diào)速系統(tǒng)進行仿真時，重點是電機－負載的動態(tài)特性。利用狀態(tài)空間平均思想，逆變器可等效為一個比例環(huán)節(jié)。為了分析方便，這里取比例增益為1，因此在系統(tǒng)仿真時可以略去。則電機模型可以直接以urα、urβ作為輸入，這也充分體現(xiàn)了矢量控制思想。
4 仿真結(jié)果
為了驗證文中介紹的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器和轉(zhuǎn)速辨識方案的可行性，以及系統(tǒng)仿真模型的正確性，采用表1所示電機參數(shù)進行仿真實驗分析。
圖5 所示為含自適應(yīng)補償?shù)霓D(zhuǎn)子磁鏈觀測器仿真波形，在t=0.5s 時磁鏈給定值從0.9Wb 跳變至
0.6Wb，顯然，觀測器具有較好的動、靜態(tài)性能。因此，本文提出的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器特別適合用于異步電動機轉(zhuǎn)子磁鏈給定會發(fā)生變化的場合。
圖6為轉(zhuǎn)速辨識仿真波形，在t=0.5s 時轉(zhuǎn)速給定值從100 r/min跳變至1500 r/min，從仿真波形中可以看出，采用基于模型參考自適應(yīng)的轉(zhuǎn)速辨識結(jié)果和實際值幾乎完全一致，表明異步電機矢量控制閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的調(diào)速效果。
5 結(jié)論
為了避免電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器中的純積分環(huán)節(jié)，提出了一種帶自適應(yīng)補償?shù)碾妷盒娃D(zhuǎn)子磁鏈觀測器，并將其作為參考模型，電流型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器作為可調(diào)模型，采用基于模型參考自適應(yīng)的轉(zhuǎn)速辨識法實現(xiàn)異步電機的無速度傳感器矢量控制，利用Matlab／Simubbbb仿真環(huán)境，建立了控制系統(tǒng)的仿真模型。該模型簡單實用，具有一定的通用性。仿真結(jié)果表明新型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器對積分初始值和直流偏置具有很好的魯棒性，且速度辨識具有良好的動、靜態(tài)性能，驗證了仿真模型的有效性，為研究不同控制策略下調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能仿真及試驗奠定了基礎(chǔ)。
作者簡介：
朝澤云（1978－），女，博士生，研究方向為電力電子與電力傳動。
參考文獻：
[1] Jun Hu. New Integration Algorithms for Estimating Mo tor Flux over a Wide Speed Range. IEEE transbbbbbb on power electronics, Vol13,no5,september 1998:969-977
[2] 韋立祥.一種消除電壓型磁鏈觀測器中直流偏置誤差的新方法[J].清華大學學報（自科版）2001.9，51-54.
[3] 王正林. MATLAB/Simubbbb 與控制系統(tǒng)仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社2005
[4] 李永東.交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.
：鞏經(jīng)理
：13915946763
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