摘要：針對級聯(lián)高壓變頻器異步電機無速度傳感器矢量控制，研究了一種基于兩相旋轉坐標系下模型參考自適應系統(tǒng)(MRAS)來辨識異步電機轉速的方案。仿真和實驗結果表明，該轉速辨識方案結構簡單，易于實現，能準確地估計電機的磁鏈和轉速。
關鍵詞：變頻器；異步電機；無速度傳感器；轉速辨識

1 引言
    級聯(lián)高壓變頻器廣泛應用于大功率風機、泵類的起動與變頻調速，且節(jié)能效果明顯。然而為了滿足高性能的調速需要，具有優(yōu)良控制性能的矢量控制級聯(lián)高壓變頻調速系統(tǒng)的理論和應用技術研究逐漸成為廣泛關注的熱點。要實現高壓變頻器的矢量控制，必須對速度進行閉環(huán)控制，但速度傳感器的安裝、維護、非線性和低速性能等方面的問題，影響了高壓異步電動機調速性能的簡單性、廉價性和可靠性。因此，無速度傳感器矢量控制已成為交流傳動領域重要的研究課題。
    至于異步電動機轉速辨識，國內外學者提出了許多轉速辨識方法。由于應用MRAS方法原理簡單，易于實現，在無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。
    傳統(tǒng)MRAS算法分別以兩相靜止坐標系下轉子磁鏈電壓模型和兩相旋轉坐標系下轉子磁鏈電流模型為參考模型和可調模型。通過調節(jié)可調模型中所需辨識的轉速值，使兩模型所計算的磁鏈差值趨于零，從而辨識電機轉速。但此速度辨識方法易受采樣電壓電流直流偏移的影響，實際應用中穩(wěn)定性較差。基于此，以改進型轉子磁鏈電壓模型為參考模型，以兩相旋轉坐標系下轉子磁鏈電流模型為可調模型，通過對兩模型計算的轉子磁鏈角度差進行PI調節(jié)來辨識異步電動機的轉速。最后基于此轉速辨識算法，分別在Matlab仿真軟件和以TMS320F28335型DSP芯片為核心的級聯(lián)高壓變頻器異步電機實驗平臺上完成了仿真和實驗。通過仿真和實驗表明，該MRAS轉速辨識方案應用在級聯(lián)高壓變頻器異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中結構簡單，易于實現，而且能準確地估計電機磁鏈及轉速。

2 級聯(lián)高壓變頻器電路結構
    級聯(lián)高壓變頻器主電路如圖1所示。該電路由于結構和控制方法都易于向更多電平數擴展，故已成為目前最受關注的多電平電路形式。其主要特點有：①電機側逆變單元采用H橋級聯(lián)方式，使用低壓器件實現高壓輸出。由于各功率單元結構相同，易于模塊化設計和封裝；②直流側采用獨立電源供電，無需箝位器件，也不存在電壓均衡問題；③采用級聯(lián)方式，分別對每一單元進行PWM控制，保障了裝置的可靠運行，結合現代交流電機的高性能控制算法，可實現在多種場合下的應用。采用低壓變頻器級聯(lián)構成高壓變頻器的功率器件可采用晶閘管或可關斷器件，選擇余地較大。特別是隨著GTO，IGBT的成熟應用和IGCT等新型全控型器件的出現，以及以DSP為核心的高性能數字控制技術的迅猛發(fā)展，級聯(lián)高壓變頻器得到了廣泛應用。

3 基于旋轉坐標系下MRAS速度估算
3．1 改進型轉子磁鏈電壓模型
    異步電機在兩相α，β坐標系下的轉子磁鏈電壓方程為：
   
    式中：ψrα，ψrβ為轉子磁鏈在α，β軸上的磁鏈分量；Rs為定子電阻；Lm為互感；Ls為定子每相繞組的等效自感；Lr為轉子每相繞組的等效自感；usα，usβ，isα，isβ為定子電壓、電流在α，β軸上的電壓、電流分量；σ為漏磁系數。
    由式(1)可知，轉子磁鏈電壓模型中不包含轉子電阻Rr，因此受轉子參數的影響較小。但電壓模型中包含積分環(huán)節(jié)，磁鏈計算受采樣電壓電流直流偏移影響較大。將純積分環(huán)節(jié)替換為一階低通濾波環(huán)節(jié)，可有效消除積分初始值引起的輸出誤差，但對于輸入直流偏置，卻無能為力。在此將參考磁鏈矢量經低通濾波后用以補償低通濾波環(huán)節(jié)引入的相位滯后，并且將濾波器的時間常數取為轉子勵磁時間常數，還可削弱Rs的變化引起的偏差。模型如圖2所示。

    圖2中，截止頻率ωc取為轉子勵磁時間常數Tr的倒數。

3．2 轉子磁鏈電流模型
    基于兩相旋轉坐標系下轉子磁鏈電流模型為：
   
    式中：ωs為轉子角速度；ωs為轉差角頻率；ism，ist為定子電流m，t軸的分量；p為微分算子。
    轉子磁鏈旋轉角速度：ω=ωr+ωs，轉子磁鏈位置。基于d，q坐標系下的轉子磁鏈電流模型如圖3所示。

3．3 轉速辨識
    圖4為MRAS轉速辨識結構圖。轉子磁鏈電壓模型和電流模型比較的是同一狀態(tài)變量，即轉子磁鏈角度。認為電壓磁鏈模型估計的轉子磁鏈角度真實而又準確。如果電流模型計算的轉子磁鏈角度與電壓模型確定的相同，那么轉速辨識準確。圖4所示的轉速估算方法就是對電壓模型與電流模型的轉子磁鏈角度差進行PI控制，從而辨識出電機轉速。轉子角速度辨識公式為：
   

4 仿真分析
    為證實理論與分析，利用Matlab／Simulink搭建了級聯(lián)逆變器異步電機無速度傳感器矢量控制仿真模型。該系統(tǒng)中異步電機模型的主要參數：Rs=87 mΩ，Rr=228 mΩ，Lσs=Lσr=0．8 mH，Lm=34．7 mH，np=2，J=1．662 kg·m2。級聯(lián)的各單元母線電壓Udc=180 V，每相三級功率模塊串聯(lián)。

    圖5為給定轉速分別為100 rad·s-1，120 rad·s-1時電機空載啟動到轉速穩(wěn)定后的實際轉速與辨識轉速仿真波形。

    由仿真結果可見，將所研究的改進型MRAS轉速辨識方案應用在級聯(lián)逆變器異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中，能準確地辨識出電機的轉速，并且具有較高的辨識精度。

5 實驗結果
    為了驗證所研究的MRAS轉速辨識方案，在6 kV級聯(lián)高壓變頻器異步電機無速度傳感器矢量控制實驗平臺上進行了實驗，實驗系統(tǒng)硬件結構圖如圖6所示。級聯(lián)的功率單元數為6級，各單元母線電壓為810 V。實驗用異步電機型號為Y-500-3-4，參數如下：1 250 kW，6 kV，星形接法，1 488 r·min-1，50 Hz，給定磁通8 Wb，Rs=225 mΩ，Rr=749 mΩ，Lσs=Lσr=7．1 mH，Lm=371．1 mH。

    圖7為給定轉速先為157 rad·s-1，待電機轉速穩(wěn)定后變?yōu)?0 rad·s-1，電機空載啟動到轉速穩(wěn)定后的轉速辨識波形(波形由主控D／A通道口輸出至錄波儀，500 Hz濾波)。由實驗波形可知，動態(tài)時轉速辨識準確。

6 結論
    研究了一種基于兩相旋轉坐標系的改進型MRAS轉速辨識方案，應用在級聯(lián)高壓變頻器異步電機無速度傳感器矢量控制中，省去了速度傳感器的安裝、維護以及一些工業(yè)場所不易安裝等問題，并且較傳統(tǒng)的基于兩相靜止坐標系下的MRAS轉速辨識方法有了很大改進。仿真和實驗結果表明，該改進型MRAS轉速辨識方法應用在級聯(lián)高壓變頻器異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中，能較好地估計電機的磁鏈及轉速，是一種結構簡單，易于實現，可靠性高的轉速辨識方案。