基于无源控制的无速度传感器异步电机调速控制

杨振元+关艳翠

摘 要：交流电机是一个多变量、非线性、多扰动、强耦合的机电能量转换装置。随着计算机、电力电子等技术的发展，为交流电机控制方法提供了更多的可能，因此，将非线性控制理论等引入到了交流电机的调速研究当中，无源控制理论就是其中一种。与其他非线性控制技术相比，无源控制技术具有稳定性、对参数变化有一定的抗扰作用等特点，极大地提高了电机的控制效果。

关键词：无源控制；无速度传感器；异步电机；调速系统

中图分类号：TM343 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.096

近年来，各国加大了对无速度传感器控制系统的研究，提高了系统获取转速信息的速度和准确度。经过20多年的研究，取得了一定的成效。无速度传感器控制系统不需要检测硬件，解决了速度传感器需要各种检验硬件支持的问题，降低了传感器的成本，提高了系统的可靠性。此外，无速度传感器的体积比较小、质量轻，控制器与电机不需要连线，大大提高了系统的便利性，广泛应用在无速度传感器的异步电机调速系统中。

1 无源控制方法

1.1 PI自适应控制

这种控制方法是通过PI自适应控制器获得某些量的误差信息的，从而获得转速信息，这是一种算法简单、效果明显的估算方法。

1.2 动态速度估算法

以电机模型为基础，通过转子磁和转子反电估算，这种估算方法直观性强、计算方法简單。但由于这种估算方法缺少误差校正环节，所以，抗干扰能力差，对电机参数变化比较敏感。然而，在应用过程中，通过参数的辨识能力和误差校正能力可提高控制系统抗干扰的鲁棒性，从而提高系统的控制能力。

1.3 扩展卡尔曼滤波器法

这种控制方法将每一个估算法看成模型线性，估算机电的转速，并将机电的转速看成一个状态变量。扩展卡尔曼滤波器法能有效控制噪声，提高转速估算的精准度。但是转速的精准度会受到电机运行参数的影响，且这种算法的计算量比较大。

1.4 神经网络算法

神经网络算法是根据逻辑规则进行推理的，然后将信息转化为概念，并用符号表示，将符号按照串行模式进行逻辑推理，并将这个推理过程写成指令，计算机按照指令执行命令。随着计算机技术的发展，神经网络算法广泛应用在社会各个领域。神经网络算法应用在无源控制技术中，就是用神经网络代替了电流模型转子磁链观测器，通过误差计算出传播算法计算机电转速。神经网络算法虽然具有一定的优势，但其理论和技术还处于起步阶段，还需要进一步研究。

1.5 模型参考自适应法

把不含转速的方程作为参考模型的数据资料，含有转速的模型作为可调模型的数据资料，两个模型按照相同的物理参量进行输出，两个模型输出误差就构成了自适应律，通过对可调模型参数的调整，可有效控制输出对象跟踪参考模型的目的。模型参考方法具有一定的参数辨识方法，能确保参数估算的正确率。但模型参考法是以参考模型的准度为基础的，所以，参考模型参数的准确度直接影响到系统速度辨识度和控制效果。

2 异步电机控制系统仿真设计

本文主要探讨了模型参考自适应的估算方法，并通过仿真模拟的方式观察估算结果。

2.1 控制系统

根据模型自适应参考法的相关要求，通过电机的无功功率参考模型方法解决了磁链中电子电阻影响的问题，减少估算误差，从而得出瞬时无功功率。将电机模型中的不含转速信号作为参考模型，含转速信号作为可调模型，从而得出无功功率的模型自适应法系统模型图；计算出系统期望转矩控制器的转矩值、磁链的幅值、模型误差向量、转子磁场定向转差率、无源控制率等。在设计系统时，要确保模型控制系统必须是无源的，从而减小设计系统对不确定参数的影响，提高系统的实际能力。在转速控制器的设计方面，无源控制无速度传感器交流异步电机系统的转矩参数接近期望转矩时，要及时记录转速误差，从而得到期望转矩值。

2.2 仿真过程

在Matlab仿真软件中分别搭建有速度传感器和无速度传感器系统，异步电动机仿真模型在给定转速和空载情况下启动，运行0.5 s后开始加负载。

2.3 仿真结果

根据仿真模型运行结果看，当无源异步电机在有速度传感器系统调速时，起动阶段转速上升比较平稳，0.32 s达到额定转速。在0.5 s时增加负载转速立即减小，但是很快恢复正常了，转矩随着时间的推移上升到负载值趋于稳定。进一步验证了异步电机调速系统仿真模型的设计是正确的。无源异动电机调速系统是基于磁链的模型参考自适应的方法进行估算的，当它运行结果逼近有速度传感器的参数值时，系统波动比较小，没有出现有速度传感器轨迹平滑的情况。由此可以看出，磁链参考模型自适应无速度传感器电机调速控制系统能够达到有传感器系统的调速控制效果，但是控制性能比较差。而无功功率的参考模型自适应估算法消除了磁链模型参考自适应估算法存在的低速运行时的抖动问题，实现了转速平滑跟踪电机实际转速，控制效果更佳。

3 结束语

无速度传感器具有稳定性高、无奇异点、鲁棒性能好，有利于提高无速度传感器异步电机调速效果。本文通过有速度传感器和无速度传感器的仿真设计，证明了无源控制无速度传感器的电机调速效果较好。

参考文献

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[3]黄永福.直接转矩控制策略下无转速、转矩传感器的异步测功系统研究[J].电子质量，2014（02）.

〔编辑：张思楠〕