异步电机无速度传感器矢量控制系统的设计

一、探究异步电机无速度传感器矢量控制系统的意义

根据国家权威部门统计，电机拖动系统能耗占全国用电量的65%左右，是名副其实的用电大户。当前，电机系统节能已经作为“十一五”期间国家实施的十大重点节能工程之一，加快研究适于电动机节能的调速技术，对节约一次能源，落实科学发展观、加快经济增长方式转变，建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展具有重要的现实意义。

交流异步电动机的各种调速方法中，变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它众多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。在变频调速方案中，矢量控制变频调速技术以调速范围宽、系统响应快、加减性能好等特点正在各行业得到越来越广泛的应用。高性能的矢量控制系统须采用速度闭环控制，传统的获得速度的方法是直接在系统中加上速度传感器或位置传感器。然而速度传感器的安装不仅增加了整个系统的成本和复杂性，而且在一定条件下还降低了系统的可靠性和检测精度。因此近年来无速度传感器矢量控制方法研究逐渐兴起，受到越来越多的关注。

通过分析研究异步电机矢量变频调速技术和无速度传感器技术的算法，绘制系统框图。经分析和计算完成硬件电路的设计，主电路采用三进三出的交-直-交变压变频方案，其中整流桥采用二极管不控整流，逆变桥功率器件选用IGBT及其反并联的二极管完成三相全桥逆变。驱动部分采用IR2133驱动芯片，同时输出6路PWM信号。控制器采用STM32系列的ARM Cortex-M3微控制器完成系统的控制、检测、保护和人机交互等功能。同时主电路和控制电路之间要实现相互隔离。最终实现无速度传感器矢量控制下异步电机的调速，实现节能环保的目的。

二、国内外研究现状及其发展

近些年，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术，矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合，乃至家用电器。

矢量控制分有速度传感器矢量控制和无速度传感器矢量控制两种，前者精度高后者精度低。时下，有无采用无速度传感器技术已经成为高性能通用变频器和一般变频器的分水岭。无速度控制技术的吸引人之处在于利用最小的附加费用获得大大增强的性能，包括低速特性、转矩响应及定位能力等。无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本；另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电机与控制器的连线，使得采用无速度传感器的异步电机的调速系统在工程中的应用更加广泛。因此，为进一步减小成本、提高可靠性，开发人员在如何省去电动机侧速度传感器以及电机相电流传感器进行了深入的研究，特别是高性能无速度传感器矢量控制（SVC）的实现吸引了各国研发人员的广泛关注，并已成为近年来驱动控制研究的热点。

随着具有强大处理能力的数字信号处理器的推出，实现这种控制方式所需要的高鲁棒性、自适应的参数估计以及非线性状态观测成为可能，新型无速度传感控制方案不断推。Siemens、Yaskawa、Toshiba、GE、Rockwell、Mitsubishi、Fuji等知名公司纷纷推出自己的SVC控制产品（针对异步电机），控制特性也在不断提高。SVC目前已在印刷、印染、纺机、钢铁生产线、起重、电动汽车等领域中广泛应用，在高性能交流驱动中占有愈来愈重要的地位。

SVC技术要实用化，必须解决几个基本问题：磁通辨识、速度估计以及参数适应性。过去十几年里，研究人员开发出了多种磁通辨识与转速估计方法：①动态速度估计法；②PI自适应控制器法；③模型参考自适应法（MRAS）；④扩展卡尔曼滤波器法；⑤神经网络法；⑥转子齿谐波法和高频注入法等。虽然辨识速度的方法很多，但仍有许多问题有待解决，如系统的精度、复杂性和系统的可靠性间的矛盾以及低速性能的提高等。

今后无速度传感器控制的研究发展的方向应为：提高转速估计精度的同时改进系统的控制性能，增强系统的抗干扰，抗参数变化能力的鲁棒性，降低系统的复杂性，使得系统结构简单可靠。随着现代控制理论、微处理器、DSP器件以及电力电子开关器件的迅速发展，实现高性能的无速度传感器异步电机的调速系统的前景相当乐观。

三、设计方案的确立

根据设计要求绘制整个系统的结构框图，明确各个单元所实现的基本功能，并编写方案说明书。主电路三相输入三相输出，采用常用的交-直-交电压型变压变频方案。由于高性能无速度传感器矢量控制的实现已成为近年来驱动控制研究的热点。本方案决定采用并研究最新技术进行设计，控制方案选择无速度传感器矢量控制。整个系统的框图如图1所示。

1、主电路设计方案：

整流电路采用大功率二极管构成的全波整流电路。中间电路：主要包括缓冲电路、滤波电路、制动电路。缓冲电路作用是缓解变频器上电瞬间对电解电容的冲击；滤波电路主要是由无感电容和电解电容、均压电阻等构成；制动电路的作用是在电机减速或停机时将电机反馈回来的电能消耗掉，从而起到快速减速、保护电机和变频器的作用。为了消除直流中的高次谐波、提高功率因数，还要在直流回路中增加直流电抗器。逆变电路：由六个IGBT和它反向并联的六个续流二极管组成的三相全桥逆变电路组成。

2、控制电路设计方案：

本设计要求单片机具有很高的运算速度、便于产生PWM波形以及丰富的配置和较强的通信功能，据此选用流行的性价比很高的基于ARM Cortex-M3内核的STM32F系列单片机。控制电源采用开关电源，由输入侧电源供电，产生控制电路用的电压源。控制电路与主电路采用光耦隔离，防止受主电路干扰。控制电路还具有检测、保护、人机接口等功能。