下载文档原格式
高压变频器同步电机无传感器飞车起动的方法及应用陈江洪，王旭（上海电气富士电机电气技术有限公司，上海201199）摘要：越来越多行业将高压变频器应用节能目的外，开始进行更多的工艺控制。
为了满足更多的应用需求，对高压变频器“飞车起动”功能的风险进行分析，提出使用无传感器矢量控制来实现励磁控制、电机转子方向和转速估算。
并在水利应用项目中，实现了同步电机飞车起动功能的应用。
关键词：高压变频器；同步电机;无传感器矢量控制;飞车起动中图分类号：TM341文献标识码：A DOI编码：10.16712力.=^9.=31-1868/tm.2020.03.0060引言随着电气传动技术尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。
多电平串联H桥逆变拓扑是国内大部分高压变频器厂商采用的主流拓扑结构。
该变频器有很多独有的特征:模块化结构，易于降低成本和便于维修;几乎正弦的输出波形;旁路功能提高了系统的可靠性;网侧电流接近正弦2017年，中国经济企稳回升，产业升级、结构优化初见成效，中高压通用变频器市场呈现正增长态势，同比增长8.5%,呈现自2012年以来首次正增长态势。
其中市政水利行业作为中高压变频器第二大应用行业,水生产和供应的固定投资增速明显，水工业行业中高压变频器业绩呈现较明显增幅。
该行业对其设备运行的稳定性、效率和功率因素等都提出了更高的要求，传统的V/T控制已很难满足要求。
因此，通过高压变频器采用矢量技术控制同步电机，自动调节励磁电流，大幅提高转速的控制精度和响应时间，实现长时间高效的不间断工作,成为越来越多用户的首选方案（在水工业行业的泵类应用领域中，通常会采用一台或多台高压变频器顺序驱动多台泵的工作方式。
当泵依次起动时，需要变频器具有变频切工频,即“同步投入”功能。
当某台工频运转的泵需要进行出水量调节时&即从工频切变频，这就需要变频器具有"飞车起动”功能。
"飞车起动”是指当电动机转子旋转时,将变频器输出一定大/J、、一定频率的电压加到电动机上起动的过程。
永磁电机无速度传感器的优化控制技术郭华华;张承维【摘要】永磁电机具有速度快、可靠性高等优点,在交流伺服系统中得到了广泛的应用,为了获得更优的永磁电机控制效果,提出一种新型的永磁电机无速度传感器优化控制技术.首先对永磁电机无速度传感器的工作原理进行分析,采用状态观测器测量转子的速度和位置,然后根据定子电流和参考电压估计反电动势,对轴向位移和旋转速度进行控制,最后采用仿真实验对其性能进行测试.结果表明,在各种条件下,所提控制技术均能够保证无速度传感器稳定运行,使得电机具有更优的工作性能.【期刊名称】《电网与清洁能源》【年(卷),期】2016(032)008【总页数】4页(P13-16)【关键词】永磁电机;无速度传感器;转矩控制;状态观测器;参考电压【作者】郭华华;张承维【作者单位】贵州理工学院电气工程学院,贵州贵阳550001;贵州理工学院电气工程学院,贵州贵阳550001【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁电机具有速度快、稳定性高、过载能力强等优点，在许多领域得到了成功的应用[1-3]。
随着应用范围的不断拓宽，对永磁电机的性能要求越来越高，获得更加理想的永磁电机控制性能成为人们关注的焦点[4]。
在永磁电机的工作过程中，由于磁引力的不稳定性，对位置进行反馈控制，以稳定轴向位移，学者们采用无传感器技术解决该问题[5]。
针对永磁电机的无速度传感器控制问题，相关学者和研究机构进行了深入探索。
传统方法通过测量定子电流和电压得到无速度传感器感应电动势，从而实现转子的轴向位移和旋转速度的控制[6-8]。
传统方法的感应电动势估计结果对噪音敏感，而且电机参数具有一定的非线性和时变性，控制精度受到较大的干扰[9-11]。
为了克服传统方法的缺陷，有学者将反馈策略引入到控制技术中，通过状态观测器，如：龙伯格状态观测器、滑模变模型观测器、扩展卡尔曼滤波器来估计永磁电机的转速和转子位置。
相对于其他观测器，龙伯格观测器的非线性系统估计性能更优，使用更加广泛[12]。
《永磁同步电机全速度范围无位置传感器控制策略研究》篇一一、引言随着电力电子技术的不断发展，永磁同步电机（PMSM）在工业、汽车、航空等众多领域得到了广泛应用。
然而，传统的PMSM控制系统通常需要使用位置传感器来获取转子的位置信息，这不仅增加了系统的复杂性和成本，还可能受到环境因素的干扰。
因此，研究无位置传感器控制策略对于提高PMSM的性能和可靠性具有重要意义。
本文将重点研究永磁同步电机全速度范围无位置传感器控制策略，旨在为PMSM的进一步应用提供理论依据和技术支持。
二、永磁同步电机基本原理永磁同步电机是一种基于磁场相互作用原理的电机，其转子采用永磁体材料制成。
当电机通电时，定子产生的磁场与转子永磁体产生的磁场相互作用，使转子按照一定的速度和方向旋转。
PMSM具有高效率、高功率密度、低噪音等优点，在许多领域得到广泛应用。
三、无位置传感器控制策略无位置传感器控制策略是实现PMSM控制的重要技术。
目前，常见的无位置传感器控制策略包括基于反电动势的估计方法、基于电流模型的方法、基于卡尔曼滤波器的方法等。
这些方法在不同的速度范围内具有不同的优缺点。
四、全速度范围无位置传感器控制策略针对PMSM的全速度范围无位置传感器控制策略，本文提出一种基于多种控制策略的综合方法。
在低速阶段，采用基于反电动势的估计方法，结合特定的启动策略实现稳定启动和位置跟踪；在高速阶段，采用基于电流模型的方法或卡尔曼滤波器等方法进行位置估计。
同时，根据电机运行状态和负载变化，实时调整控制策略，保证电机在不同速度范围内的稳定性和准确性。
五、实验与结果分析为了验证所提出的全速度范围无位置传感器控制策略的有效性，本文进行了大量实验。
实验结果表明，该控制策略在全速度范围内均具有较高的精度和稳定性。
在低速阶段，通过特定的启动策略实现了快速稳定启动和位置跟踪；在高速阶段，采用多种估计方法有效减小了位置估计误差。
此外，在不同负载和工作环境下的实验结果也证明了该控制策略的鲁棒性和可靠性。
华中科技大学文华学院毕业设计（论文）题目：感应电机无速度传感器直接转矩控制系统的实验研究学生姓名：学号：学部（系）：专业年级：指导教师：职称或学位：高级工程师2010 年 5 月 28 日目录目录........................................................................................................................... - 2 - 摘要........................................................................................................................... - 3 - 关键词................................................................................................................ - 3 - Abstract ..................................................................................................................... - 3 - Keywords ........................................................................................................... - 5 - 第1章绪论......................................................................................... - 5 -1.1选题目的及意义：...................................................................................... - 5 -1.2．课题发展现状和前景展望....................................................................... - 5 -1.3 研究内容..................................................................................................... - 6 - 第2章感应电机无速度转矩矢量控制原理......................................................... - 7 -2.1 异步电机的数学模型与坐标变换............................................................. - 7 -2.1.1异步电机的基本方程式.................................................................... - 7 -2.1.2 异步电动机的几种等效电路......................................................... - 10 -2.1.3坐标变换........................................................................................ - 13 -2.2 矢量控制变频调速系统的原理............................................................... - 17 -2.2.1 矢量控制基本方程式..................................................................... - 17 -2.2.2 转差型矢量控制............................................................................. - 19 -2.3 无速度传感器矢量控制系统的结构和速度观测原理........................... - 19 -2.3.1 无速度传感器矢量控制系统的原理............................................. - 19 -2.3.2 感应电机矢量控制系统的基本思路............................................. - 20 -2.3.3转子磁链定向的矢量控制系统...................................................... - 20 -2.4 无速度传感器矢量控制技术................................................................... - 21 - 第3章仿真设计................................................................................. - 23 -3.1 仿真平台................................................................................................... - 23 -3.2 仿真准备................................................................................................... - 24 -3.3 仿真电路................................................................................................... - 25 - 第4章仿真结果................................................................................. - 25 -4.1 仿真结果波形........................................................................................... - 25 -4.2 结果分析................................................................................................... - 26 -4.3结论............................................................................................................ - 27 - 第5章总结......................................................................................... - 27 - 参考文献................................................................................................................. - 27 - 致谢......................................................................................................................... - 29 -摘要直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后交流传动领域中一种新兴的控制技术,它省去了复杂的矢量变换,具有动态响应快、结构简单、易于实现等优点。
交流感应电动机和直流感应电动机常用的控制方法交流感应电动机常用的控制方法包括：
1.调压调速：通过改变电动机电源电压的幅值从而改变电动机的转速。
2.转子串电阻调速：在交流感应电动机的转子回路中串入电阻，通过改变电阻的大小来改变电动机的转速。
3.电磁转差离合器调速：将电磁转差离合器与笼型电动机装在一起，构成滑差调速电机。
4.变频调速：通过改变电源的频率从而改变电动机的转速。
直流感应电动机常用的控制方法包括：
1.直接电压控制：直接改变施加在直流电机上的电压来控制其转速。
调节电压的大小可以改变电机转动时所受到的扭矩大小，从而实现对电机速度的控制。
这种方法简单直接，但是控制精度较低。
2.调制控制：通过改变电压的脉宽和频率来控制直流电机的速度。
调制控制通过改变脉冲宽度调制（PWM）信号的占空比来改变电机的平均电压，从而控制电机的速度。
这种方法具有较高的控制精度和效率。
以上信息仅供参考，具体可咨询专业的技术人员获取更全面更准确的信息。
基于DSP的无速度传感器矢量控制系统设计
任相强;黄耀志
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2006(29)6
【摘要】提出了一种基于DSP,MCU和IPM的交流变频调速系统,该系统由独立的电源模块、操作面板、控制板和功率板组成.操作面板与控制板之间利用扩展的异步串行口实现通讯,介绍了其硬件、软件及通讯协议设计方法,以及操作面板功能参数设置流程.结合感应电动机在两相静止坐标系上的数学模型及扩展卡尔曼滤波器算法,实现了对感应电动机的无速度传感器矢量控制.实验表明该系统造价低廉、精度较高、工作稳定可靠,完全可以满足科研教学和实际生产的需要.
【总页数】4页(P18-20,23)
【作者】任相强;黄耀志
【作者单位】福州大学,机械工程学院,福建,福州,350002;福州大学,机械工程学院,福建,福州,350002
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.基于DSP的异步电机无速度传感器矢量控制系统研究 [J], 肖兵;薛琦
2.基于DSP的无速度传感器异步电机矢量控制 [J], 陈伟昌;王孝洪;田联房
3.基于DSP的无速度传感器交流异步电机矢量控制系统设计 [J], 薛易;叶瑰昀
4.基于DSP的异步电机无速度传感器的矢量控制研究 [J], 刘宝华
5.基于ADSP-21990的无速度传感器矢量控制系统设计 [J], 冯准; 王晓明
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
交流感应电动机无速度传感器的高动态性能控制方法综述清华大学 杨耕上海大学 陈伯时 摘要:文章分析了交流感应电机无速度传感器的高动态性能控制方案的控制要点。
在介绍国内外产业界已实用化的、以及正在研发中的几种代表性的控制策略的同时,讨论了各种方法理论要点和实际应用中的特点。
最后,介绍了当前的几个研究热点问题并就发展方向提出了一点设想。
关键词:异步电动机控制 无速度传感器 转矩控制 磁链观测 速度辨识Rev iew the M ethods for the Speed Sen sor-less Con trol of I nduction M otorYang Geng Chen Bo sh iAbstract:T h is paper analyzes theo retical po ints of the i m p lem entati on fo r h igh perfo r m ance contro l of in2 ducti on mo to r w ithout speed senso r.A fter that,typ ical app roaches of the contro l strategy,w h ich are used in p ractical p roducts o r are being developed recently,are p resented and the characteristic of each app roach is dis2 cussed.F inally,som e unso lved p roblem s being researched as w ell as the develop ing po tentials are introduced.Keywords:contro l of inducti on mo to r speed senso r2less to rque contro l flux observer speed identifica2 ti on1 前言交流感应电机的无速度传感器高动态性能控制,是为了实现与有速度传感器的矢量控制(或直接转矩控制)相当的转矩和速度性能的方案,被用于无法设置速度传感器的设备或新一代高性能通用变频器之中[1,2]。
相关的理论与技术也成为近10年来交流传动领域的热门研发内容之一。
本文主要综述在无速度传感器的前提下,具有速度反馈控制环的矢量控制方案(V C)和直接转矩控制方案(D TC),而不讨论诸如“V F控制+为补偿负载变动的滑差补偿”等只考虑静态的方法。
本文在介绍各种方法的同时,综述其理论要点和实际应用中的特点、介绍所应用的厂家,从中总结出实现高动态性能控制的要点及主要成果。
最后,介绍当前几个研究热点问题。
2 控制方法211 方法分类的出发点一般地,由转矩控制环及速度控制环构成的无速度传感器矢量控制(或直接转矩控制)系统由图1所示的3个环节构成。
即:①速度调节器;②磁链和转矩控制器;③速度推算或辨识器(含磁链计算或观测)。
图1 无速度传感器控制系统构成对于环节②,需要控制转矩和磁链。
由此可以分为:a以转子磁链定向控制为基础的矢量控制策略。
目前常用的有计算滑差频率的被称为间接法(I V C)和把状态观测器观测到的转子磁链进行反馈控制的直接法(DV C)。
b以控制定子磁链为特点的,被称之为直接转矩控制策略(D TC)。
环节③的结构依存于环节②的结构。
实际上在计算或推定速度值时,常常也要获得(计算或观测)磁链(转子的或是定子的)值。
因此,按其理论上的特点,可以把获得转速和磁链的方法大致分3电气传动 2001年 第3期 为两大类。
一是利用电机的状态方程进行计算的方法,叙述于212。
二是利用自适应状态观测器观测磁链并辨识转速的方法(214)。
还有一些方法是这两类方法的变型,叙述于213。
作为本文分析的基础,列出在两相静止坐标轴Α,Β上的方程式如下[3]定子方程 v M s =R s i M s +p 7Ms(1)转子方程 0=R r i M r +(p +J ΞM r )7Mr (2)定子磁链 7M s =L s i M s +M i M r (3)转子磁链 7M r =M i M s +L r i M r(4)式中 v M s ——定子电压,v M s =[v M s Α,v M s Β]T i M s ——定子电流,i M s =[i M s Α,i M s Β]T 7M s ——定子磁链,7M s =[7M s Α,7M s Β]T 7M r ——转子磁链,7M r =[7M r Α,7M r Β]T ΞM r ——转子频率 p =d d t J =0-11 0也可以改写为电压和电流模型方程[4]p 7M r =(L r M )[v M s -(R s +ΡL s p )i M s ](5)p 7Mr=(-1 Σr +J ΞMr)7M r+(M Σr )iM s(6)在本文中,上角字母M 为电机参数或变量,3为指令或设定,^为推算值,T 为矢量或矩阵的转置。
212 基于电机状态方程的计算21211 利用反电势计算转速[4～7]在转子磁链定向的旋转坐标{d ,q }上(d ,q 分别为同步旋转坐标系上的励磁轴和转矩轴),由式(5)电压模型可得E M r =(M L r )(p +J Ξ1)7M r=v M s -[R s +ΡL s (p +J Ξ1)]i Ms(7)式中 Ρ=1-M 2(L s L r ) Ξ1——同步(定子)频率 E M r ——反电势,E M r =[E M rd ,E M rq ]T 7M r ——转子磁链,7M r =[7M rd ,7M rq ]T 在估算Ξδr ,Ξδ1时,为了简化算式,假定矢量控制已被实现,则由于转子磁链的反馈控制在稳态时有7M rq =0,7M rd =con st =73rd 。
于是Ξδ1=(L r M )E M rq 73rdΞδr =Ξδ1-Ξ3sl p(8)上式的E M rq 由式(7)可得,而转子的转差频率Ξ3sl p 和磁链73rd 由矢量控制器中给出。
计算时所用的参数为R s ,R r ,L s ,L r ,M 。
在这一类的实现中,矢量控制部分由于采用I V C ,需要进行电流反馈和7Mrd =con st 的控制。
该方法计算量较小,易于实现。
系统结构如图2。
为东芝[5]、日立[6]、富士[7]的早期产品所用。
存在的问题有:①由于不能保证在动态过程中矢量控制是否能正确实现,所以不能保证动态特性;②低速时,由于E M r 的值很小,难以按式(7)准确算出,所以低速特性不好。
图2 基于反电势计算的转速21212 在D TC 中使用的速度估算法[8～12]由D epenb rock 所倡导的从控制定子磁链出发的方法,由于在结构上有明显的转矩环而被称之为直接转矩控制(D TC )。
另外,由于控制的是定子磁链恒定,因此转矩和磁链闭环为非线性控制环,一般地闭环为“砰2砰”控制。
参考文献[8]通过计算和控制电机的定子侧磁链7δs ,再用计算出的定子磁链的频率Ξδ1来得到Ξδr 。
7δs =∫(v M s -R s i Ms )d t(9)7δr =(L r M )(7δs -ΡL s i M s )(10)Ηδr =tan -1(7δr Β 7δr Α)Ξδ1=d Ηδr d t(11)T M =n p (7δs Αi M s Β-7δs Βi M s Α)(12)Ξδr =n p (Ξδ1-R 3r T M 72r )(13)式中,n p 为极对数。
算式所用到的参数为R s ,R r ,L s ,L r ,M 。
系统结构如图3。
由于转矩的控制由“砰2砰”控制得到。
该方法可得到较好的转矩响应。
此外,定子磁链、转矩和滑差频率的计算量不太大。
这种方法被东洋电机[11]、ABB [12]用于产品。
但由积分器引起的零漂对系统的低速特性影响大。
此外,虽然D TC 方法可实现转矩无差,但若作转速反馈闭环需用到式(13)中的转子电阻,则控制精度也受转子电阻变化的影响。
21213 计算磁链时的混和算法[9,11,13]基于式(5)电压模型计算磁链定向需进行积4 电气传动 2001年 第3期 图3 直接转矩控制系统的构成分运算,而基于式(6)电流模型计算时精度又受转子电阻变化的影响。
参考文献[13]提出将前者和在I V C 控制时得到的后者用频率的加权函数混合起来,使得在低速段主要由式(6)的计算值起主导作用,而在其他速段由式(5)的计算值起主导作用。
实验结果表明有较好的效果。
参考文献[9]提出了一种基于定子磁链的V C 方案,参考文献[9]将式(9)的积分改为数字式低通滤波器(L PF ),并且L PF 的时间常数和增益随同步频率而变。
这一思路同214变极点的观测器的思路一致。
此外参考文献[9]采用图4所示的切换,在低速和起动时对式(14)所示的滑差频率进行积分作为定子磁链7δs 的相角,在中高速段则按式(9)计算相角。
Ξδsl p =(1+ΡΣ3r p )L s i Msd Σ3r (73sd -ΡL s i M sq )(14)式中 Σ3r——计算用转子时间常数由图4知,2个状态之间的切换并不连续,因此速度有跳变的现象。
图4 I V C 和DV C 的切换图[9]对于D TC 方式,参考文献[11]先用式(6)计算转子磁链7δr 以避免积分运算,然后按下式换算出定子磁链7δs =ΡL s i M s +(M L r )7δr213 基于实际量与计算量之间的误差推算方法从物理概念看,推算的电机转速Ξδr 与实际转速ΞM r 之间的误差,一定会引起指令转矩与实际转矩(或转矩电流分量)或指令励磁与实际励磁(或励磁电流分量)之间产生误差,可以用这些误差去推算Ξδr ,其结果将实现转矩无差控制。
事实上,这类方法为214所述方法的简化。
21311 基于转矩电流误差推算转速[14～16]在参考文献[14]中,假定矢量控制可使i M sd =i 3sd 或7Mrd=73rd,可以用下式所表达的转矩电流误差来推算转速Ξδr =(K p +K I p )(i 3sq -i M sq )(15)式中 K p ,K I ——P I 参数P I 控制保证了Ξδr 趋于真值时电流误差为零。
为了保证7M rd =73rd ,需要利用式(5)计算7Mr 。
为了避免对式(5)直接积分,参考文献[14]采用了如下式所示的磁链指令73r 与p 7Mr 组合的变量7δ′r7δ′r =[73r +T C (p 7Mr )](1+T C p )(16)在稳态时有 7δ′r =73r =7Mr式中T C 是一阶L PF 的时间常数。
