Robust direct torque and flux control of adjustable speed sensorless induction machine drive based on space vector modulation using a PI predictive controller

A Direct torque and flux control design for a sensorless induction motor, following a Lyapunov-based stator flux observer is presented. In this control scheme, the torque error signal and the amplitude of the stator flux reference vector are delivered to a PI predictive controller. The predictive controller also uses information on the amplitude and position of the actual stator flux vector and measured stator currents to determine the voltage command vector for space vector modulation inverter. In addition, a conventional PI speed controller is used to generate the torque reference signal. Using the fifth order model of the three-phase induction machines in a stationary two axes reference frame, a nonlinear stator flux observer is developed in order to estimate the rotor speed, rotor and stator resistances simultaneously. The stability of this observer is proved by Lyapunov theory. It is shown that if the persistancy of excitation condition is satisfied, the estimated quantities converge to their real values. The effectiveness of the proposed control scheme is verified by computer simulation and experimental results.     

定子磁场定向无速度传感器异步电机控制系统研究

提出一种改进的MRAS(模型参考自适应)磁链转速观测器,同时辨识了定子磁链和转子转速,并在此基础上实现了定子电阻的在线调整和定子电阻压降的补偿。在异步电机按定子磁场定向控制中,采用定子电阻压降补偿和电流转矩分量的闭环控制,实现了定子磁链的控制,系统具有较好的鲁棒性。     

一种新型的基于观测器的无速度传感器感应电动机定子电阻辨识方案

建立了一种新型的全阶自适应状态观测器,提出了基于观测器的速度和定子电阻辨识方案.应用Lyapunov稳定性理论,经过严格推导得出了速度辨识自适应律;通过对两个双线性矩阵不等式的求解得到状态观测器的增益矩阵,从而克服了现有采用极点配置的自适应速度观测器存在不稳定区域的问题.在此基础上,由Lyapunov稳定性条件,在保持观测器增益不变的情况下,得到观测器的定子电阻辨识算法;通过将定子电阻的辨识值反馈,减小了定子电阻变化对系统性能的影响.在Matlab/Simulink环境下,对基于自适应观测器的无速度传感器感应电机直接转矩控制进行了仿真,并以TMS320F240为控制核心构建了感应电动机直接转矩控制系统,完成了速度辨识和定子电阻辨识实验.仿真和实验结果表明本文给出的自适应观测器在全速范围内具有良好的稳态和动态性能.     

新型磁链观测器在矢量控制系统的应用

本文介绍了一种改进的定子磁链观测方法,并在此基础上设计了转速估算器。磁链观测器和速度估算器结合起来应用于无速度传感器的矢量控制系统。通过Matlab仿真试验,得到转速、转矩、定子电流及其磁链等的仿真波形。仿真结果验证了该控制方法具有较好的动态响应和较强的鲁棒性。     

基于双辨识参数全阶自适应观测器的感应电机低速性能

提出了一种基于双辨识参数全阶自适应观测器的感应电机无速度传感器矢量控制策略,根据Popov超稳定性理论对系统进行了稳定性分析,在深入研究传统全阶自适应观测器的基础上,对保证系统在全速范围内稳定运行的反馈增益矩阵选取准则进行分析并据此设计了反馈增益矩阵。通过分析低速时定子电阻变化对转速估计的影响,构建了双辨识参数全阶自适应观测器,可以同时对转速和定子电阻进行在线辨识,有效提高了系统的低速带载性能。对基于双辨识参数全阶自适应观测器的感应电机无速度传感器矢量控制系统进行了实验验证,实验结果验证了算法的正确性和有效性。     

直接转矩控制系统参数在线辨识的研究

本文提出了一种应用于无速度传感器直接转矩控制系统的电动机参数在线辨识方案。采用模型参考自适应系统,注入磁链扰动,实现了同时对感应电机定、转子电阻参数的在线辨识和对磁链、转速及转矩的状态观测,使系统在电机参数发生显著变化时仍然保持良好的控制特性。与全阶状态观测器相比,本文采用交互式观测器,大大简化了算法,并通过在变频器样机中的应用,验证了其可行性和效果。     

基于新型磁链观测模型的矢量控制系统研究

在异步电动机数学模型的基础上,介绍了一种改进的定子磁链观测方法,并在此基础上设计了转速估算器.磁链观测器和速度估算器结合起来应用于无速度传感器的矢量控制系统.通过Matlab仿真试验,得到转速、转矩、定子电流及其磁链等的仿真波形.仿真结果验证了该控制方法具有较好的动态响应和较强的鲁棒性.     

基于DSP的感应电机无速度传感器矢量控制

讨论了一种感应电机(IM)的新型无速度传感器矢量控制系统,重点阐述了基于PI自适应法的模型参考自适应转子磁通和速度观测器。其中,磁场估算器是一个由电机的开环电流模型和电压模型组成的全阶转子自适应磁场观测器,速度观测器的稳定性由Popov原理提供保证。在实际应用中,构造了一个直接转子磁场定向无速度传感器IM矢量控制系统,给出了基于TMS320F240型DSP芯片实现的数字化系统。实验结果表明,该系统具有良好的转矩转速特性,也验证了所提出的磁场和速度估计算法的正确性。     

Speed-sensorless direct torque control of induction motors using anadaptive flux observer

This paper presents a new sensorless induction motor drive. The drive uses an adaptive flux observer for speed estimation and the discrete-time direct torque control technique for torque and stator flux control. The adaptive flux observer uses a mechanical model to improve the behavior during speed transients. The estimated stator flux of the adaptive observer is used in the discrete-time direct torque control method to provide fast torque response combined with torque-ripple-free operation over the whole speed range. The sensorless drive system is capable of working from very low speed to high speed and exhibits good dynamic and steady-state performance. The steady-state and dynamic performance of the proposed sensorless drive using simulation and experimental results are demonstrated     

一种改进的模型参考自适应定子磁链观测器

分析了几种常用磁链观测方法,提出一种改进的MRAS(模型参考自适应)磁链转速观测器,同时辨识了定子磁链和转子转速。在异步电机按定子磁场定向控制系统中,采用定子电阻压降补偿和电流转矩分量的闭环控制,实现了定子磁链的控制,系统具有较好的鲁棒性。     

Stability analysis of a controlled-current source-fed induction motor vector control system without a speed sensor

One of the representative vector-controlled induction motor drive systems without a speed sensor is composed of a rotor flux estimator, a PI torque current controller and a conventional vector-controlled current source. However, the stability analysis of this system has not been reported. In this paper, the flux estimator is interpreted as a flux observer. Then a linear model of the system is proposed by deriving the equations of the flux estimator in a synchronously rotating reference frame. By computing the trajectories of the poles and zeros and the transient responses, the following results are obtained. (1) If the rotor flux is estimated using only the stator equations (voltage model), the system becomes unstable when the actuator stator resistance is smaller than the value used by the controller. (2) By choosing a small time constant of the first-order lag element in the flux estimator (reciprocal number of observer gain), the poles and zeros on the imaginary axis move to the stable region. However, another pair of poles has reverse performance. (3) From the viewpoint of stability, the gain of the PI torque current controller should be chosen as large as possible and the stator and rotor resistances in the controller should be set to values smaller than their actual values.     

基于转子电流的双馈感应电机无速度传感器控制

提出一种基于转子电流的模型参考自适应系统(MRAS)的双馈感应电机(DFIM)无速度传感器控制方法.首先建立了基于定子磁链定向的DFIM矢量控制模型,实现了电机转速/转矩控制和有功/无功功率解耦控制,然后采用基于MRAS的转速辨识方法,将测量得到的转子电流作为参考模型,通过定子电压和电流估测得到的转子电流作为自适应模型,用PI闭环控制构造转子位置和转速信息.为验证理论分析的正确性,以50 kW的DFIM为例设计了一套控制系统.通过电动机运行工况下的空载变速实验和发电机运行工况下的功率控制实验,估测转子位置和转速在不同转速和功率工况下都能准确跟踪实际值.仿真和实验结果表明系统能实现对DFIM无速度传感器控制,证明了所提出的方案的可行性.     

MRAS-based speed sensorless control scheme with stator resistance identification function for vector-controlled induction motor drives

This paper describes a new scheme for the speed sensorless control of the vector-controlled induction motor drive. Based on the model reference adaptive system (MRAS) theory, the rotor speed of the induction machine is estimated with a full-order adaptive observer. The estimated speed then is used as the signal for the vector control and the speed control. To accurately estimate the speed at the lower speed range, the value of the stator resistance also is identified at the same time and then is used to modify the resistance value set in the observer. The resulting system is verified to be hyperstable with Popov's criterion. As a result, this drive can operate stably in a wide range of speed even at zero speed. Also, it is shown theoretically that neither speed nor resistance of the rotor can be identified at the same time because these two parameters are dependent on each other. Simulation results and experiments also show that the scheme is effective.     

基于Matlab/Simulink的无速度传感器直接转矩控制的仿真

本文介绍了异步电动机直接转矩控制的基本原理,提出了基于自适应全阶磁链观测器的速度估算方法,实现了无速度传感器的速度辨识。并应用Matlab/Simulink软件对该系统进行了建模和仿真,仿真结果表明,该系统对电机定子磁链的观测精度高,转速估算准确,尤其在低速下能保持很高的性能。     

基于自适应观测器的感应电机无速度传感器DTC系统的仿真

在Matlab/Simulink下搭建了一个基于自适应观测器的感应电机无速度传感器直接转矩控制(direct torque control,DTC)系统仿真平台,建立了鲁棒自适应全阶状态观测器并给出了基于鲁棒观测器的速度辨识律.应用Lyapunov稳定性理论,观测器的增益借助于Matlab中的LMI工具箱求解线性矩阵不等式得到.仿真结果表明该模型具有很好的稳态性能,并具有良好的鲁棒性.     

采用扩展卡尔曼滤波磁链观测器的永磁同步电机直接转矩控制

提出利用卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)观测器对永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)直接转矩控制(direct torque control,DTC)系统进行精确参数估计的方法。通过检测定子电压和电流,应用EKF观测器精确估计电机的定子磁链、电机转速和转子位置,间接估计转矩,近而实现PMSM的无速度传感器控制;同时改进常规的EKF估计状态方程,提高速度估计的精确性,并证明了基于EKF的控制系统的稳定性定理。仿真结果表明该方法减小了系统的非线性、参数变化以及干扰带来的影响,EKF能够准确估计状态变量,提高了直接转矩控制的性能。     

无速度传感器的感应电机神经网络鲁棒自适应控制

针对感应电机定子电阻和负载转矩参数的不确定性,提出了无速度传感器的感应电机神经网络鲁棒自适应控制方案。用反步法设计了一种可以将各状态变量跟踪误差和神经网络各权值限制在规定范围内的神经网络鲁棒自适应控制器,提出了相应的算法,用Lyapunov定理对其稳定性进行了证明。提出了一种可以估算转子磁链和转速的观测器及相应的算法。仿真研究表明,所提出的感应电机无速度传感器控制方案对电机定子电阻、负载转矩的鲁棒性强,动态性能好,速度估算较精确。     

感应电机全阶磁链观测器设计及其控制性能对比分析

针对以往在感应电机无速度传感器矢量控制中,全阶磁链观测器均是以静止坐标系下状态变量进行设计的,其基于欧拉法的离散化过程估算误差大,若采用梯形法、双线性法或龙格-库塔法,估算误差有所减小,但计算过程复杂,不适宜工程应用。提出以同步旋转坐标系下的定子电流和转子磁链作为状态变量来设计全阶磁链状态观测器,其离散化过程采用工程上常用的欧拉法,计算量小。同时给出了基于两种坐标系下全阶磁链观测器转速估算自适应律设计方法。仿真分析和实验结果对比表明,在低速和高速状态下,同步旋转坐标系下设计的状态观测器电流和转速估算准确快速,可以明显提高系统控制的精确性和实用性。     

感应电机全阶观测器的一种新型离散方法

针对感应电机全阶自适应观测器的离散化问题,通过将欧拉法和双线性变换法相结合,提出了一种新型离散化方法,用于实现感应电机精确的无速度传感器数字控制。自适应全阶磁链观测器的状态变量由定子电流和转子磁链构成。该方法对定子电流采用欧拉法离散,对转子磁链采用双线性法离散。通过合理近似,使得求解磁链的方程组实现解耦,其运算复杂度比传统的双线性法显著降低。该方法的运算量只比欧拉法有略微增加,但精度却比欧拉法有明显改进。实验结果表明,所提出的方法能取得较小的离散误差,从而提高了感应电机无速度传感器控制的准确度。     

牵引电动机无速度传感器及带速度重投控制

研究了无速度传感器控制技术在大功率电力牵引传动系统中应用问题。在异步电动机Luenberger观测器模型基础上推导出速度自适应辨识算法,针对无速度传感器控制在电力牵引中应用的难题——控制系统的带速度重投,提出了一种初始转速自优化搜索算法,可以在很小的电流、转矩冲击下完成重投励磁过程。实验结果表明该无速度传感器控制系统具有非常高的转矩动态调节性能,可以在极低的定子频率下稳定运行,达到工程化应用的要求。