基于无速度传感器控制的异步电机观测系统的研究

　　摘要：本文针对感应电机并联运行时的调速特性展开研究，介绍一种由单变频器驱动多电动机的调速系统，提出了新型的电机转速、磁等电机参数的观测器，仿真结果表明，两台感应电机可以在不平衡负载下并联运行，验证了观测器的正确性和可靠性。

　　1.介绍

　　一般而言单一异步电机是由单个逆变器进行矢量控制。然而，像电气化铁路和钢材加工等工业应用场合，由于需要成本低、结构简洁、重量轻盈，一个逆变器可能驱动多个并行连接的感性电机。铁路牵引是一个重要的实际应用场合，它需要两个到四个感性电机并联运行，而且电机各自负载的不同导致驱动系统的不稳定。

　　许多电机驱动系统已经被提出去解决这个问题，本文采用电机参数的平均值和差异来更加准确的表述系统情况，并且为了实现无传感器控制，用磁通和速度观测器估计感性电机转子的磁通与速度。文中正是研究采用此方法由单台逆变器驱动两台电机的准确性和有效性。

　　2.双感性电机的矢量控制

　　A.电流模型

　　图1表明了两感性电机并联的电流流向情况如下：

　　

　　来自逆变器的电流源被分成两部分：

　　流向电机1及流向电机2.是和的平均值，是与的差值，电流和被表达如下：

　　

　　在本文“-”表示均值，“△”表示差值。当电机负载不平衡时，与不等；当电机1与电机2参数不同时，与也不等。

　　因此我们选择逆变器的电流进行控制。

　　B.转子磁通模型

　　图2表明双感性电机并联时的矢量模式，和是电机的转子磁通，是和的平均值，是和的差值。为了执行矢量控制，与转子的d轴以同步角速度相联系。

　　

　　C.转子磁通的参考电流

　　在旋转坐标系中，感性电机的转子磁通方程表达如下：

　　

　　式（3）是综合了电机1与电机2,它可表达如下：

　　

　　式（4）与双感性电机的平均转子磁通方程相结合可表达如下：

　　

　　如果电机的参数及两电机的速度完全相同时，式（5）与式（3）是等价的。在式（5）中，和被分成d轴和q轴两部分，因此在式（5）中，和表示如下：

　　

　　由于转子的平均磁通是常量即为零且与d轴相联系，=,=0.

　　

　　从式（7），我们可以获得平均转子磁通的参考电流：

　　

　　D.转矩的参考电流

　　在旋转坐标系中转矩e T 的方程为：

　　

　　其中“P”为极对数，如同求转子磁通的方式，我们把式（9）应用于电机1和电机2得出两方程，可求得平均转矩。

　　

　　式（11）中，如果每个电机的参数是相等的（ΔM′=0），T′相等于e T ,式（10）中，和es i 被分成d轴和q轴两部分，所以式（10）可表示为：

　　

　　从式（13），我们可以得到控制平均转矩的参考电流：

　　

　　3.系统结构

　　通过转子磁通观测器得到的相应电机的定子电流及电压来计算当前每个电机的速度和转子磁通。平均参考转矩见式（11）。用于决定平均转子参考磁通的参考电流依据式（14）由平均参考转矩计算得到。平均转子磁通的参考电流依据式（8）由平均参考磁通计算得到。感性电机依据这些参数进行控制，整个矢量控制系统通过反馈相应电机定子电流实现转子磁链和速度的观测，并以此为反馈，实现转矩内环调节和转速外环调节。

　　4.实验结构

　　图3为每个电机的转速，当带相同负载时，电机1和电机2的转速都与参考转速相等；当电机1在4s时刻带1.3NM负载时，电机1和电机2的转速发生了改变；图4为2s到10s时刻，d轴的定子电流；图5为2.5s到10s时刻，q轴定子电流。在这些图中，波形的变化发生在不同的负载时刻。

　　

　　

　　

　　电机2的q轴电流相应于负载转矩。

　　图6和图7为每个电机的定子电流，它们验证了系统的稳定性。

　　

　　

　　5.结论

　　本文讨论了不平衡负载下，异步电机并联运行时的调速特性。提出了新型的电机转速、磁等电机参数的观测器，仿真结果表明，两台感应电机可以在不平衡负载下并联运行，验证了观测器的正确性和可靠性。（作者：严树勋）