一种改进的模型参考自适应定子磁链观测器

暴国辉，邓德卫，梅柏杉，虞江，傅闯

(1.湘潭大学,湖南 湘潭 411100;2,上海电力学院,上海 200090)

一种改进的模型参考自适应定子磁链观测器

暴国辉1，邓德卫1，梅柏杉2，虞江1，傅闯1

(1.湘潭大学,湖南 湘潭 411100;2,上海电力学院,上海 200090)

分析了几种常用磁链观测方法，提出一种改进的MRAS(模型参考自适应)磁链转速观测器，同时辨识了定子磁链和转子转速。在异步电机按定子磁场定向控制系统中，采用定子电阻压降补偿和电流转矩分量的闭环控制，实现了定子磁链的控制，系统具有较好的鲁棒性。

MRAS；矢量控制；磁链观测

1 引言

近年来，高性能无速度传感器[1]矢量控制的实现吸引了各国科研工作者的广泛关注，并已成为了驱动控制研究的热点之一[2]。无速度传感器矢量控制仍然沿用磁场定向控制技术，只是转速获得方法不同。因此，无速度传感器磁场定向矢量控制技术的关键是如何准确获取磁场定向角以及电机的转速信息[3，4]。基于上述情况，本文提出一种改进的MRAS(模型参考自适应)[5]磁链转速观测器，同时辨识了定子磁链和转子转速。构成了定子电阻压降补偿和电流转矩分量的闭环控制的矢量控制系统，实现了定子磁链的控制。仿真表明该系统在低速范围具有较强的鲁棒性。

2 常用定子磁链观测方法

2.1 U-I模型

根据异步电机定子电压方程

(1)

可以得到：

ψs=∫(us-Rsis)dt=∫Esdt

(2)

其中，us为定子电压矢量；is为定子电流矢量；Es为定子反电动势；ψs为定子磁链矢量。

图1为异步在电机20Hz频率下运行的实际磁链和U-I模型辨识磁链β轴的仿真波形，其中灰色为实际磁链，黑色为辨识的磁链。从图中可以看出，由于纯积分和定子电阻的影响，使得电压模型观测的磁链增大，并且产生了直流偏置，辨识出现误差。

2.2 I-N模型

根据三相异步电机转子电压方程和磁链方程：

(3)

图1 U-I法模型实际磁链和辨识磁链的比较波形

图2 I-N法模型实际磁链和辨识磁链的比较波形

由上式可以得到：

(4)

上式便是基于定子电流，转子转速的磁链观测模型，图2为异步电机磁链辨识仿真波形。可以看出，I-N模型要比U-I性能好很多，但是在转子参数变化时仍然不能对磁链准确辨识。

2.3 MRAS法

图3 MRAS模型结构框图

可设计广义误差环节为：

(5)

自适应算法为一PI调节器

(6)

图4为MRAS模型下异步电机磁链辨识仿真波形。可以看出，MRAS模型对转子参数的自适应性很好，但由于其参考模型中含有积分环节，所以对直流偏置的误差不能消除。同时，由于电压模型中含电阻参数，因而定子电阻变化对磁链辨识准确度有一定的影响，在实际应用中仍需改进。

3 改进的MRAS方法辨识磁链和转速

针对以上MRAS磁链观测器存在的缺点，本文提出了一种改进的MRAS磁链观测器，其基本结构是电流模型在前，电压模型在后，两者成串联形式，如图5所示。

图4 MRAS法模型实际磁链和辨识磁链的比较波形

图5 改进的MRAS模型结构框图

图6为改进的MRAS模型下异步电机磁链辨识仿真波形。从波形可以看出，改进的MRAS模型基本消除了直流扰动和定子电阻的影响。比较上述四种种模型下的磁链辨识情况，改进的MRAS磁链观测模型基本不受定、转子参数和直流扰动的影响(蓝色与红色波形基本重合)，鲁棒性很好。

4 系统仿真与实验结果

异步电机按定子磁场定向的无速度传感器矢量控制系统结构如图7所示。

图6 改进的MRAS法模型实际磁链和辨识磁链的比较波形

图7 定子磁场定向的无速度传感器矢量控制框图

按图7所示系统原理框图连接各模块，搭建仿真模型。电机参数设置如下：额定电压UN为380V，额定电流IN为8A，极对数np=4，额定转速n=705rpm/min，定子漏电感Ls=0.00501H，转子漏电感Lr=0.00456H，互感为0.09751247H，定子电阻Rs=0.625Ω，转子电阻初始值Rr=0.5Ω，转动惯量J=0.23kg·m2，额定转矩T=70N·m。机侧采用LCL滤波，滤波电感L=1.0mH，滤波电容C=10μF。由于定子电阻的变化对电机在低速时影响较大，所以对电机带额定负载转矩启动，在300rpm/min低速运行，对应同步转速的频率为20Hz，进行不同工况下的仿真。

4.1 定子电阻辨识与补偿作用的分析

给定转速300rpm/min，设定定子电阻在0.5s时由0.625Ω突变至1.625Ω，观察电机运行情况。

图8 定子电阻变化电机运行特性

图8为定子电阻变化时电机运行特性波形图，可看出定子电阻辨识能够准确辨识，定子磁链基本保持不变，转速辨识值能够很好地跟随实际转速。仿真波形表明，由于系统定子电阻辨识及电阻压降补偿准确，系统几乎不受定子电阻变化影响，电机运行稳定。

4.2 负载转矩变化时系统动态性能分析

设定负载转矩在0.3s时由额定负载转矩70N·m跃变为100N·m，在0.6s时由100N·m跃变为70N·m，观察电机运行情况。

图9为负载阶跃升高和降低额定负载值的43%时电机运行特性图，在0.3～0.6s之间，负载转矩增大，电机定子电流上升，转子转速扰动较小，基本保持稳定，定子磁链几乎不受影响，系统动态性能良好。

图9 负载阶跃升高和降低额定负载值的43%时电机运行特性

5 结论

在感应电机按定子磁场定向控制系统中，采用改进的MRAS模型辨识定子磁链,解决了定转子参数变化和纯积分对磁链辨识带来的误差。在此基础上构成了异步电机按定子磁场定向控制系统，电机在低速运行时，整个系统具有很好的鲁棒性。

[1] Holtz,J.Sensorless control of induction motor drives,Proceedings of the IEEE,2002:1359-1394.

[2] 冯垛生，曾岳南.无速度传感器矢量控制原理与实践[M].2版.北京:机械工业出版社，2006,2:66-86.

[3] 刘军锋，李叶松.定子电阻对无速度传感器系统的影响及其在线调整[J].电气传动，2007(37):6-9.

[4] 张春朋，林飞，陈寿孙.改进U-I法异步电机转子磁链估计器[J].中国电机工程学报，2004(24):126-129.

[5] 李健，程小华.MRAS感应电机定子电阻的在线辨识[J].电机与控制学报，2007(11):620-623.

An Improved MRAS Stator Flux Observer

BAOGuo-hui1,DENGDe-wei1,MEIBai-shan2,YUJiang1,FUChuang1

(1.Xiangtan University,Xiangtan 411100,China;2.Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)

An improvement MRAS (model reference adaptive system) flux and speed observer which identifies the stator flux and rotor speed is analyzed.Stator resistance compensation and torque component of current closed loop control strategy is adapted in stator flux oriented sensorless vector control of induction motor system.Stator flux control is realized and the system has a good robust.

MRAS;vector control;flux linkage observation

上海市教委重点学科建设项目资助(J51301)； 上海市教委自然科学基金(07ZZ146) 。

1004-289X(2014)02-0008-05

TM614

B

2013-05-10

暴国辉(1987-)，男，硕士研究生，研究方向为电机控制、电机设计及电磁分析; 梅柏杉(1958-)，男，本科，教授级高工，硕士生导师，研究方向为电力传动控制系统、风力发电、特种电机及其控制系统。