摘 要：本文提出了一種新型極低速異步電機無速度傳感器矢量控制方法。該方法基于低頻信號注入，通過注入低頻定子電流信號，利用產生的角度誤差估計電機轉速。該方法不受負載變化影響，也不依賴于異步電機的非理想特性，僅由基波模型就可實現(xiàn)極低速段的轉速估計，所以不受異步電機結構影響，具有普遍的適用性。此外，該方法還具有較強的電機參數(shù)魯棒性，不必進行參數(shù)估計，控制結構簡單。仿真及實驗結果證明，本文提出的基于低頻信號注入的方法可以很好地實現(xiàn)異步電機在極低速段的無速度傳感器矢量控制。

Abstract: This paper presents a new sensorless vector control method for induction motor （IM） drive at very low speeds. The proposed method is based on low-frequency signal injection, where a low frequency stator current signal is injected and the corresponding angle error is detected to estimate the rotor speed. This new method is independent of the non-ideal features of IM. Just the fundamental model of IM is needed. As a result, the proposed method isn’t affected by IM structures and it can be applied to different IM. Furthermore, this new method is robust to the motor parameters. Therefore no parameter estimation is needed and the control system is simple. Simulations and experimental results prove the good performances of the proposed method on speed sensorless control of IM at very low speeds.

關鍵詞：低頻信號注入 異步電機 無速度傳感器 矢量控制

Keywords: Low-Frequency Signal Injection, IM, Speed Sensorless, Vector Control

1 引言

　　近年來，異步電機的無速度傳感器矢量控制成為研究熱點。目前，異步電機無速度傳感器矢量控制在中高速段已獲得良好的控制性能，但在極低速段（<1Hz）卻仍未實現(xiàn)良好的控制。這是因為常用的異步電機無速度傳感器矢量控制方法需要利用反電勢，而反電勢在極低速時很小，受采樣精度和電機參數(shù)變化影響較大，導致控制性能降低，無法實現(xiàn)極低速段的無速度傳感器矢量控制。

　　為了實現(xiàn)極低速段的異步電機無速度傳感器控制，研究人員提出了各種控制方法。其中研究較多的是高頻信號注入法，利用注入的高頻定子電壓信號產生的電流響應來估計轉子位置[1]-[5]。這些基于高頻信號注入的方法都利用了異步電機的非理想特性，如轉子凸極、齒槽效應及飽和效應等。但是，這些基于高頻信號注入的方法存在一個共同的缺點，即高頻響應信號常常與其他高頻諧波混合在一起，較難分離。需要采用復雜的信號處理方法獲得所需高頻響應信號，從而降低了系統(tǒng)響應速度，增加了控制系統(tǒng)的復雜性。此外，由于基于高頻信號注入的方法利用了異步電機的非理想特性，因此受電機結構影響較大，缺乏一定的通用性。

　　為避免上述高頻信號注入法所固有的各種問題，本文提出了一種基于低頻信號注入的方法。該方法將文獻[5]中的高頻諧波信號變?yōu)榈皖l諧波信號，通過注入低頻d軸定子電流信號，利用產生的角度誤差估計電機轉速。該方法僅利用異步電機的基波模型，不依賴各種非理想特性，所以不受異步電機結構影響，具有普遍的適用性。此外，該方法所需低頻響應信號容易分離，消除了高頻信號注入法信號分離難的缺點，而且對電機參數(shù)具有較強的魯棒性，無須進行參數(shù)估計，使得控制系統(tǒng)結構相對簡單。仿真及實驗結果證明，本文提出的基于低頻信號注入的方法可以很好地實現(xiàn)極低速段異步電機無速度傳感器矢量控制。

2 低頻信號注入法原理

　　由異步電機數(shù)學模型及運動方程可知，異步電機的電磁轉矩可表示為：

圖2  低頻信號注入法系統(tǒng)控制原理框圖

3 電機參數(shù)魯棒性分析

　　由上述分析可知，本文提出的低頻信號注入法僅與注入信號及其引起的轉矩響應有關，而與異步電機的定子電阻和轉子電阻無關，因此對定轉子電阻有很好的魯棒性。

　　此外，由于在滑差轉速計算中用到了轉子時間常數(shù) ，因此 的變化會影響到估計轉速的準確性。盡管如此，由于在同步轉速估計中并未用到轉子時間常數(shù)，所以 的變化對轉子磁鏈角度的估計沒有影響。因此，本文的方法對轉子時間常數(shù)也具有良好的魯棒性。

　　由于對異步電機參數(shù)具有較好的魯棒性，本文提出的方法很好地消除了參數(shù)變化對極低速性能的影響。同時，由于無需進行參數(shù)估計，控制算法和系統(tǒng)結構都得到大大簡化。

4 仿真結果

　　本文對提出的低頻信號注入法進行了仿真，所用的電機參數(shù)如表1所示。

　　根據(jù)電機參數(shù)，令注入的低頻d軸定子電流信號的頻率為25Hz，幅值為0.6倍額定d軸定子電流。

　　表1 異步電機參數(shù)

圖3 空載，參考轉速突變0.3Hz->-0.3Hz

圖4 60%額定負載，參考轉速突變0.1Hz->-0.1Hz

　　圖3為異步電機0.3Hz空載運行時突然由正轉變?yōu)榉崔D的仿真波形。

　　圖4為異步電機0.1Hz帶60%額定負載運行時突然由正轉變?yōu)榉崔D的仿真波形。從圖3、圖4中可以看出，不管是否帶載，轉速突變后系統(tǒng)都能夠很快恢復穩(wěn)定，且穩(wěn)態(tài)誤差較小。

圖5 參考轉速0.1Hz，負載突變0->60%Tn

　　圖5為異步電機0.1hz運行時由空載突變到帶60%額定負載的仿真波形。從圖中可以看出，負載突變后系統(tǒng)能夠很快恢復穩(wěn)定，且穩(wěn)態(tài)誤差較小。

　　本文還將提出的低頻信號注入法與電壓模型法相結合，轉速低于1Hz時采用低頻信號注入法，反之采用電壓模型法。圖6為帶60%額定負載，在兩種方法之間切換時的異步電機加減速仿真波形。從圖中可以看出該方法具有良好的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能，可實現(xiàn)異步電機的寬范圍準確調速。

圖6 60%額定負載，參考轉速0.1Hz->10Hz->0.1Hz

5 實驗結果

　　本文對提出的低頻信號注入法進行了實驗驗證。實驗采用基于DSP TMS320C31的實驗平臺，所用電機參數(shù)及注入信號與仿真中一致。

圖7 空載，參考轉速0.3Hz

　　圖7為異步電機0.3hz下空載運行時的穩(wěn)態(tài)波形。從圖中可以看出，估計轉速和實際轉速穩(wěn)態(tài)誤差較小，僅有較小脈動。

圖8 空載，參考轉速突變 -0.3Hz->0.3Hz

　　圖8為異步電機極低速空載運行時突然由反轉到正轉的實驗波形。從圖中可以看出，參考轉速突變后，實際轉速能夠較快恢復穩(wěn)定，且穩(wěn)態(tài)誤差較小。

6 結論

　　本文提出了一種基于低頻信號注入法的極低速異步電機無速度傳感器矢量控制方法。經過理論分析及仿真和實驗驗證，本文提出的方法可獲得良好的極低速段異步電機控制性能。該方法僅利用異步電機的基波模型，不依賴各種非理想特性，所以不受異步電機結構影響，具有普遍的適用性。此外，該方法所需低頻響應信號容易分離，而且對電機參數(shù)具有較強的魯棒性，無須進行復雜的信號分離和參數(shù)估計，使得控制算法和系統(tǒng)結構相對簡單。

參考文獻

　　1 P. L. Jansen and R. D. Lorenz, “Transducerless field orientation concepts employing saturation-induced saliences in induction machines,” IEEE Trans. Ind. Applicat., vol.32, no.6, pp. 1380-1393, Nov./Dec. 1996.

　　2 N. Teske, G. M. Asher, M. Sumner and K. J. Bradley, “Encoderless position estimation for symmetric cage induction motor under loaded conditions,” IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 37, no. 6, pp. 1793-1800, Nov./Dec. 2001.

　　3 F. Briz, M. W. Degner, A. Diez, and R. D. Lorenz, “Measuring, modelling, and decoupling of saturation-induced saliencies in carrier-signal injection-based sensorless AC drives,” IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 37, no. 5, pp. 1356-1364, Sept./Oct. 2001.

　　4 J.-I. Ha, S.-K. Sul, K. Ide, I. Murokita, and K. Sawamura, “Physical understanding of high frequency injection method to sensorless drives of an induction machine,” in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting, Vol. 3, Rome, Italy, Oct. 2000, pp. 1802-1808.

　　5 S.- I. Yong, J.-W. Choi, S.-K. Sul, “Sensorless vector control of induction machine using high frequency current injection,” in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting, Vol. 1, Oct. 1994, pp. 503-508.