图中检测的电机电流经过3/2变换,变换后isα,isβ为α,β坐标系下的电机定子电流。同时逆变器发出的电压usα,usβ进入磁链观测模块,isα,isβ同时进入旋转坐标变换模块得到同步旋转d,q坐标系下的电机定子电流isd,isq。isd进入磁链观测模块,通过磁链观测模块的计算得到估计的电机同步转速。给定磁链ψr*和给定的电机力矩电流isq*进入滑差计算模块得到滑差转速经减法器计算出转子转速再经过低通滤波器(LPF)滤波得到估计的转子转速与给定转速ωr*经过减法器,再经过速度控制器输出指令电机转矩经过转矩电流计算模块,计算出isq*。ψr*经过磁场计算模块计算出给定的电机磁场电流isd*。isq*与检测的电机力矩电流isq进入减法器,再经电流控制器产生给定的电机力矩电压。isd*与检测的电机磁场电流isd进入减法器,再经电流控制器产生给定的电机磁场电压。给定的电机力矩电压和给定的电机磁场电压分别加上补偿电压,进入旋转变换模块,通过电压变换模块,施加到三相感应电机上。
根据上述分析,要想实现转子磁场定向控制,必须知道转子磁链;另外由转速计算公式可知,要想计算转速,也必须观测磁链,知道了磁链角度就可计算同步频率和转矩电流,用转矩电流和转子磁链幅值可计算滑差频率,同步频率减去滑差频率就可得到转速。因此,要实现无速度传感器矢量控制,首先要准确观测磁链。
3 磁链观测
静止坐标系中的电压型转子磁链模型为:
电压模型可以根据加在电机上的电压与电机电流经过积分计算估计出转子磁链。该模型框图如图2所示。
电压型转子磁链观测模型高速性能较好,但在低速时因为电机产生的反电动势较小,检测信号的信噪比较低,在此基础上计算得到的转子磁链不太准确,而且存在积分器漂移问题。
该问题解决方案为将输出结果再通过一个高通滤波器s/(s+ωc)将低频成份和直流漂移滤掉。
式中:ωc为截止频率;x为系统输入;y为系统输出;1/s为纯积分环节。
由式(8)可知,纯积分和一阶高通滤波的组合可等效为一阶惯性环节。但高通滤波器的引入带来了磁链检测的幅值和相位的误差。为了补偿磁链的幅值和相位变化,同时还要使积分稳定,在此采用了以下改进方法。[page]
在参数准确的情况下,实际磁链ψr=er/s,观测磁链可表示为:
式中:er为转子产生的反电动势,er=Lr(us-Rsis-Lσpis)/Lm。
可见,在参数准确情况下,如果ψr*=ψr,式(9)右边第2项为零,于是有,所以改进型电压模型可以做到无幅值和相位误差。因此,这种改进型电压转子磁链观测模型可以在极低速的情况下得出比较准确的转子磁链观测结果。另外,当TL取为转子时间常数Tr时,由电机的定子电阻参数误差带来的磁链相位误差可以在低速时降到一个很低的水平。
改进型电压模型的反电势输入端经过的不是纯积分环节,故在实际应用中没有纯积分环节的初值和漂移问题。该方法还有一个特点:当滤波时间常数ω取为与Tr相等时,观测磁链的角度在零转速附近对定子电阻的误差有鲁棒性。
4 硬件构成
双DSP数字化开发平台控制板以TMS320VC33作为系统的计算核心,TMS320LF2407A作为系统的控制核心,两个DSP处理器之间通过双口RAM
进行数据交换,并采用CPLD为程序存储器、数据存储器以及I/O口进行地址译码和读写控制。
5 试验
利用试验来验证所提出的无速度传感器矢量控制测速方法的正确性。其中试验电机参数:额定功率2.2 kW,额定线电压380V,额定电流为5 A,额定频率为50 Hz,额定转速为l 420 r·min-1,极对数为2,定子电阻2.54 Ω,定子漏感11.6279mH,转子电阻1.798 Ω,转子漏感11.627 9 mH,励磁电阻3.91 Ω,励磁电感235.071 8 mH。
图4为滤波前后估计同步转速与转速ωs波形。滤波后=31.423 9 rad·s-1,ωs=30.230 8 rad·s-1。转差为1.193 1 rad·s-1。同步转速给定为5 Hz转换为角速度31.415 9 rad·s-1。同步转速估计误差为0.292 rad·s-1,相对误差0.93%。图5示出转速5 Hz时实际转速和估计转速对比。由图可知,在转子频率5Hz时,电角度为62.8rad·s-1,估计转速误差最大为0.68rad·s-1,相对误差为1.08%。
6 结论
采用TMS320LF2407A和TMS320VC33组成的双DSP系统为硬件基础,基本思想是利用改进型电压模型,实现同积分运算等效的幅值和相位特性。电机稳态工作时,转子反电动势信号是正弦波形。而一个频率为ω的理想正弦信号在经过积分环节运算后,输出相位滞后π/2,幅值变为原来的1/ω倍。
从试验中可知,观测得到的磁链与转子反电动势信号在输出相位上与通过纯积分环节得到的相位仍有一点偏差,故还需要对补偿环节上进行进一步研究,如何使其补偿相位完全等效于积分的效果。由试验结果可见,5 Hz时的转速估算误差很低,验证了所提理论的正确性。
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