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        4. 都睿感控

          專注傳感器國內第一

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          無速度傳感器控制技術

              傳統調速系統中一般采用安裝速度傳感器、測速發電機或增量式光電編碼器來獲取反饋速度,但機械上的誤差還會影響檢測精度和控制性能降低可靠性,增加了電動機安裝和維護上的困難;所以無速度傳感器傳動系統成為研究的重點,速度傳感器的設置增加了系統的復雜性,降低了系統的可靠性和系統的魯棒性,增加了系統成本和維護要求。使用RLS(最小方差)、MRAS(模型參考自適應)、觀測器、卡爾曼濾波器、神經網絡等各自不同的技術推定電機的轉速。通過應用這些方法,無速度傳感器即可進行非同步電機的控制運行。但是,如果電動機的轉速接近零速或者過零速,則在許多方法中性能降低,控制系統的低速性能降低。在一些提案中,采用魯棒的推定技術,通過自動調整和在線調整技術來降低速度推定的誤差。在這些方法中,慢速動作范圍會擴大,但其優點也會影響復雜性。

              無速度傳感器技術的發展初期,從電機穩定模型導出滑差頻率的公式。該方法的出發點是穩態方程式,調速范圍小,動態性能差,無法滿足高性能調速系統的要求。之后,根據電動機的動態沖擊方程式設計了電動機的開環動態速度推定器,F在顯示的動態速度推定機主要有以下4種形式。

           從交流電動機的轉速式n = 60 f1/p(1- s )可知,為了改變電動機的轉速,可以通過改變極對數p、滑差率s或定子電壓頻率f1來實現。改變p是有極調速,調速范圍有限,但這種方法少;盥实淖兏峭ㄟ^改變轉子的電阻和定子電壓來實現的調壓調速裝置。其缺點在于,在調速中存在與滑差率s成正比滑差損失,降低電動機的效率,由于該方法能夠簡便地實現,因此現在仍在使用中。交流電動機的變頻器調速系統是各種調速系統中最佳的電力拖曳系統,不僅能實現無調速,而且能根據不同電動機的負載特性適當調整頻率和電壓的關系,使電動機始終在高效率區域動作,維持良好的動作特性。采用變頻器啟動提高了電機的啟動性,大幅度降低了啟動電流,增加了啟動轉矩。這里主要介紹變頻器系統中的矢量控制和直接轉矩控制。

              70年代西門子制工程師F.B laschke首先為了解決交流電動機的轉矩控制問題,提出了交流非同步電動機矢量控制理論(簡稱VC )。具體而言,將交流電動機定子電流分解為產生勵磁的勵磁電流成分和產生轉矩的轉矩電流成分,分別進行控制,同時,控制兩成分的振幅和相位,即,控制定子電流矢量,使交流電動機的調速系統的靜動性能與直流電動機相當。但是,在該方法中,需要經過坐標變換,其調速中計算量大。經過30年以上的產品開發和工程實踐,矢量控制( VC )的原理完善,廣泛應用于交流電機控制。例如,矢量控制算法適用于Siemens、abb、ge、fuji等國際化大企業變頻器,F在,新型矢量控制通用逆變器中搭載了非同步電機的參數自動檢測、自動辨別、適應等功能,能夠辨別電機的參數,根據其結果調整與控制算法相關的參數。

              1985年德國盧阿大學M. Denbrock授提出了與矢量控制不同交流電動機的控制原理,即直接轉矩( DTC )控制。將電機和逆變器一體化,使用空間電壓矢量SVPWM分析方法,在定子坐標系中進行磁通、轉矩計算,根據追隨型PWM逆變器的開關狀態直接控制轉矩。直接轉矩控制不需要轉換旋轉坐標,在靜止坐標系上控制轉矩和鎖定磁通,轉矩響應速度快,控制結構簡單,通過流行控制實現PWM控制戰略和高動態性能。但是DTC控制系統轉矩脈動大,特別是低速時更顯著。根據其脈動較大的特征,國內外學者也進行了幾項研究,提出了許多改善措施,例如直接對轉矩控制的感應電動機進行轉矩鎖的加權最佳控制。

              DTC控制技術的提案引起了學界的重大關注和關注,經過發展和改進,得到了廣泛的應用。1995年瑞士abb公司首次將DTC技術應用于通用逆變器,發布了使用DTC技術的icbt脈沖寬度調制逆變器ACS 600,高壓逆變器AC 1000和逆變器ASC 6000也采用了DTC技術。

              模型參照適應( MRAS)法是基于穩定性設計的參數識別法,雖然保證了參數推定的收斂性,但參照模型自身的參數精度直接影響速度識別和系統的動作性能。MRAS法在工序中經常使用,其主要缺點在于低速時不穩定,精度差。通過使用基于適應全部誘電狀態觀測器的轉子鎖定磁通觀測值、定子電流再構成值和測定值的偏差的閉環特性的速度辨別方法,避免了開環積分?善诖M一步抑制測量。Luenberger觀測器和Slide滑塊觀測器屬于此類,slid2ing滑塊觀測器由于非線性而產生抖動?柭鼮V波器法用于電動機轉速計算,計算值與實際值非常接近,即使在低速的情況下誤差也小。但是,電機參數的影響較大,需要考慮電機運行中的溫度對參數的影響。神經網絡具有自我學習能力,基于神經網絡的速度推定精度高,低速性能好,但實現復雜的學習算法需要相當長的時間,適用于時實性高的控制系統受到限制,隨著高性能、高速的電子設備的出現,神經網絡。其他速度推定算法有動態速度推定器、轉子齒高次諧波法、高頻注入法、表法等。 但是,現在沒有理想的算法可以在不受低速性能和參數變化的影響下同時解決高速計算方法

              M.Depenbrock教授提出的直接自我控制( DSC ),特別適用于高壓高輸出低開關頻率的電力牽引交流傳動系統。大功率動力運行通常GTO開關元件的開關頻率為250 Hz左右,磁場取向控制等附帶svwm的控制方式在高旋轉區域需要采用同步調制技術。與DSC相比,同步調制不能充分利用開關頻率,具有更高變換尖峰電流、電動機高次諧波損失及轉矩脈動,存在同步調制和方波平滑過渡的問題。隨著電力電子技術的迅速發展,開關頻率高的IGBT器件成為電力牽引等中電力領域,例如地鐵、光導的主流器件,開關頻率也提高到1 khz。相反,DSC開關頻率不固定,電流正弦性差,高次諧波含量高的缺點正在顯現化。間接定子量控制( isc )是將DSC和svwm控制方式的優點組合起來的新的控制方式,開關頻率固定直接控制轉矩,通過具有DSC獨特的動態弱磁場控制,滿足電力牽引的恒定電力弱磁場控制的高性能要求,電力牽引,例如等電力的地下。

           一、無速度傳感器控制的優越性

              通常,使用光線盤等速度傳感器進行速度檢測,反饋速度信號來進行速度閉環控制。但是,采用無速度傳感器控制時的優點很明顯。

           (1)系統的成本削減:精度越高的代碼輪價格越高。

           (2)增大電機的電力:交流傳動電動汽車組的控制系統主要部件都在車下,由于空間有限,因此,增大電機的電力比較困難。只要取消速度傳感器,就能相應地提高馬達的動力,能降低車重。

           (3)可靠性、維護性:減小電機軸向體積,使電機的維護變得容易,同時電機的安裝變得簡單,系統的機械魯棒性提高。無需考慮傳感器本身的機械故障和環境影響、應答的故障對策等。

           (4)提高固定控制:電氣響應速度明顯快于使用速度傳感器時的檢測速度,延遲時間短,縮短了空轉滑行的檢測處理時間。


            二、非同步電機的等效電路模型及直接轉矩控制原理

             2.1非同步電機等效回路型號

                 非同步電機γ形等效電路圖所示。

           

          1.png

                 非同步電機等效電路

                  2.png                                                (式2-1 )

                                                                  (式2-2 )

                                                                  (式2-3 )

                                                                  (式2-4 )

                                                                  (式2-5 )

                                                                  (式2-6 )

           


            其中,

          3.png

            2.2直接驅動轉矩控制的基本原理

           根據電動機的統一理論可知,式3-6的電動機轉矩式,轉矩的大小明顯與定子鎖定磁通寬度、轉子鎖定磁通寬度和磁通角θ的正弦積成正比,在實際運轉中,為了充分利用電動機鐵心,一般控制的振幅為一定值,轉矩的大小固定。主要由負荷決定的大小。為了變更非同步電機轉矩大小,可以通過變更磁通角θ來實現。  在直接驅動轉矩控制系統中,通過選擇合理的非零矢量和零矢量的作用順序和時間,調整定子鎖定磁通矢量的移動速度,變更為轉矩角θ的大小,實現電機轉矩的控制。

                直接扭矩控制系統的基本構成框圖

          4.png

                即,實現非同步電機直接驅動轉矩控制系統的基本結構框圖。該系統使用一對磁滯比較器和鎖鏈磁通位置判別裝置,根據開關選擇表決定最佳電壓矢量,使用速度pi調整器一邊進行旋轉速度調整一邊產生所希望轉矩。電機的定子鎖定磁通通過積分器(式2-2 )計算,電磁轉矩通過(式2-6 )計算。


            三、直接轉矩控制在交流電車調速上的應用

              3.1直接轉矩控制的特點是AC電車的調速。

               a .速度無直接轉矩控制是以制作轉子磁通為前提條件,因此交流電車要求在數百毫秒的短時間內開始推定轉子頻率的勵磁,計算轉矩。

               b .電動汽車組在坡道上啟動時有時會后退,要求即使在這樣的狀態下也能產生必要的轉矩。但是,在無速度傳感器控制中,在感應電壓比較小的非常低的速度范圍內,根據轉子頻率推定原理分析的推定精度比較低,轉矩控制精度惡化。 因此,在非常低速的速度范圍內,各種轉速推定方法采用與通常不同的控制算法,為了避免控制精度的惡化,需要事先脫機確定電壓誤差的主要原因。

               c .電動汽車組的粘合力是受外界自然條件影響較大的因素,導軌濕潤時粘合力的最大值,即所希望的粘合力降低,車輪轉速急劇增加,發生所謂的空轉和打滑現象;瑒铀俣茸兇,粘合力降低,難以自然地恢復粘合,因此需要再粘合控制。 電車可以維持高電動汽車組的加減速性能,確保電動汽車組的運行時間。

             3.2直接轉矩控制的改良方案

               對于電動汽車集團的特點,以往的直接轉矩控制不能滿足其特殊要求,作者提出了改良方案?紤]到電壓型轉子鎖鏈推定模型中純積分節固有的漂移問題和累積誤差有可能影響實際的系統性能,將式(式3-2 )的積分項置換為滯后項,導入轉子鎖鏈基準值,使滯后項的時間常數相等。 對應的轉子鎖

               

          5.png

                                          改良后的電壓型轉子鎖鏈推定模型

                      6.png                                     (式3-1 )

                                                           (式3-2 )


                                                       (式3-3 )

                                                       (式3-4 )


               為了在正交列車上實現無速度傳感器的非同步電機控制系統,需要取代帶速度傳感器的非同步電機控制系統,正確地識別速度。本文采用的速度推定方法是pi調節器適應法(簡稱pi適應法)。pi適應法被認為是模型參照適應法的變形,靈活運用控制系統的現有結構,在此基礎上使用pi調節器推定旋轉速度,其結構比模型參照適應法簡單,性能良好。在此,以不包含實際轉速的轉子鎖定方程式以及坐標變換方程式為參照模型,以包含應該確定的轉速的pi適應率為調整模型,將定子電流轉矩成分作為比較輸出量,使用比例積分適應法進行速度推定。其結構如圖示。

           

          7.png

               帶pi調壓閥的適應速度識別模型



                改良的直接轉矩控制系統如圖所示

          8.png

               該系統使用pi適應法推定速度,使用改良電壓型轉子鎖鏈模型推定轉子鎖鏈,速度調節器、轉矩調節器、磁通調節器全部使用pi控制。圖中UMC是考慮t軸成分it的影響而導出的定子電壓磁通成分的補償量。utc是考慮到m軸成分的影響而導入的定子電壓轉矩成分的修正量。 該控制系統的主處理器采用ti公司的DSP(TM S320C32)。通過DSP的強大計算功能,實時進行與無速度傳感器非同步電機矢量控制系統中的坐標變換、轉子磁通推定、轉子磁通環、轉矩環、轉速環等相關的數據計算,直接控制變換器的開關管,對最終得到的PWM信號進行控制。主電路的開關元件采用智能模塊IPM,主電路通過控制電源電壓、過電壓、過電流、過熱的硬件保護,保證系統的安全運行。


           四、模擬結果的分析

               實驗用非同步牽引電機額定功率450 kw。 Rs=0.0483Ω,Rr=0.0435Ω,Lσ =0.00107H,Lμ=0.0196H,極對數p = 3。 實驗用IGBT牽引變流器、額定容量600 kva、變頻器開關頻率450 Hz、比較用速度傳感器90脈沖/旋轉。主處理器是ti浮點DSP 320 c 31和固定點DSP TMS320F240。 實驗采集的波形如圖所示。

           

          9.png

            電壓型轉子鎖交磁通推定模型的模擬結果

           

          10.png

              改良的鎖鏈磁通推定模型的模擬結果

               改良的直接轉矩控制定子鎖鏈觀測精度高,電機運轉更順暢,輸出轉矩脈動小,響應速度快,電機啟動快,轉矩啟動穩定的時間為25 ms左右,轉速1200 r至400 r穩定的時間為10ms左右,較大。

           五、結論。

               本文從直接轉矩控制的基本原理、非同步電機的數學模型及適應磁鏈觀測器的理論推導出發,考慮到牽引電機的調速控制特征,對以往的直接轉矩控制模型進行改良,從模擬效果來看完全可能。

               速度無傳感器控制技術在交流車輛上的應用也越來越廣泛,例如日本的輕軌和地鐵上速度無傳感器矢量控制的電動汽車群已經開始運行,在我國這方面的研究已經落后,取得了很大的成果,速度無傳感器控制技術。

               都睿感控科技公司設計開發的傳感器,包括霍爾傳感器等各類型,滿足客戶的需求。

            


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