高壓變頻器無速度傳感器矢量控制轉速辨識

摘要：針對級聯高壓變頻器異步電機無速度傳感器矢量控制，研究了一種基于兩相旋轉坐標系下模型參考自適應系統(MRAS)來辨識異步電機轉速的方案。仿真和實驗結果表明，該轉速辨識方案結構簡單，易于實現，能準確地估計電機的磁鏈和轉速。
關鍵詞：變頻器；異步電機；無速度傳感器；轉速辨識

1 引言
級聯高壓變頻器廣泛應用于大功率風機、泵類的起動與變頻調速，且節能效果明顯。然而為了滿足高性能的調速需要，具有優良控制性能的矢量控制級聯高壓變頻調速系統的理論和應用技術研究逐漸成為廣泛關注的熱點。要實現高壓變頻器的矢量控制，必須對速度進行閉環控制，但速度傳感器的安裝、維護、非線性和低速性能等方面的問題，影響了高壓異步電動機調速性能的簡單性、廉價性和可靠性。因此，無速度傳感器矢量控制已成為交流傳動領域重要的研究課題。
至于異步電動機轉速辨識，國內外學者提出了許多轉速辨識方法。由于應用MRAS方法原理簡單，易于實現，在無速度傳感器矢量控制系統中得到了廣泛應用。
傳統MRAS算法分別以兩相靜止坐標系下轉子磁鏈電壓模型和兩相旋轉坐標系下轉子磁鏈電流模型為參考模型和可調模型。通過調節可調模型中所需辨識的轉速值，使兩模型所計算的磁鏈差值趨于零，從而辨識電機轉速。但此速度辨識方法易受采樣電壓電流直流偏移的影響，實際應用中穩定性較差。基于此，以改進型轉子磁鏈電壓模型為參考模型，以兩相旋轉坐標系下轉子磁鏈電流模型為可調模型，通過對兩模型計算的轉子磁鏈角度差進行PI調節來辨識異步電動機的轉速。最后基于此轉速辨識算法，分別在Matlab仿真軟件和以TMS320F28335型DSP芯片為核心的級聯高壓變頻器異步電機實驗平臺上完成了仿真和實驗。通過仿真和實驗表明，該MRAS轉速辨識方案應用在級聯高壓變頻器異步電機無速度傳感器矢量控制系統中結構簡單，易于實現，而且能準確地估計電機磁鏈及轉速。

2 級聯高壓變頻器電路結構
級聯高壓變頻器主電路如圖1所示。該電路由于結構和控制方法都易于向更多電平數擴展，故已成為目前最受關注的多電平電路形式。其主要特點有：①電機側逆變單元采用H橋級聯方式，使用低壓器件實現高壓輸出。由于各功率單元結構相同，易于模塊化設計和封裝；②直流側采用獨立電源供電，無需箝位器件，也不存在電壓均衡問題；③采用級聯方式，分別對每一單元進行PWM控制，保障了裝置的可靠運行，結合現代交流電機的高性能控制算法，可實現在多種場合下的應用。采用低壓變頻器級聯構成高壓變頻器的功率器件可采用晶閘管或可關斷器件，選擇余地較大。特別是隨著GTO，IGBT的成熟應用和IGCT等新型全控型器件的出現，以及以DSP為核心的高性能數字控制技術的迅猛發展，級聯高壓變頻器得到了廣泛應用。

3 基于旋轉坐標系下MRAS速度估算
3．1 改進型轉子磁鏈電壓模型
異步電機在兩相α，β坐標系下的轉子磁鏈電壓方程為：

式中：ψrα，ψrβ為轉子磁鏈在α，β軸上的磁鏈分量；Rs為定子電阻；Lm為互感；Ls為定子每相繞組的等效自感；Lr為轉子每相繞組的等效自感；usα，usβ，isα，isβ為定子電壓、電流在α，β軸上的電壓、電流分量；σ為漏磁系數。
由式(1)可知，轉子磁鏈電壓模型中不包含轉子電阻Rr，因此受轉子參數的影響較小。但電壓模型中包含積分環節，磁鏈計算受采樣電壓電流直流偏移影響較大。將純積分環節替換為一階低通濾波環節，可有效消除積分初始值引起的輸出誤差，但對于輸入直流偏置，卻無能為力。在此將參考磁鏈矢量經低通濾波后用以補償低通濾波環節引入的相位滯后，并且將濾波器的時間常數取為轉子勵磁時間常數，還可削弱Rs的變化引起的偏差。模型如圖2所示。