【正文】 第 6章 無(wú)速度傳感器 控制與智能控制 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 2 2 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 6章 無(wú)速度傳感器控制與智能控制 2 第 6 章 無(wú) 速度 傳感器控制 與智能控制 基于數(shù)學(xué)模型的開(kāi)環(huán)估計(jì) 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng) 自適應(yīng)觀(guān)測(cè)器 擴(kuò)展卡爾曼濾波 智能控制應(yīng)用舉例 高精度、高分辨率的 速度和（或） 位置傳感器（例如光電編碼器 等 ），價(jià)格昂貴，不僅提高了伺服系統(tǒng)的成本，還限制了伺服驅(qū)動(dòng)裝置在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。 運(yùn)用 無(wú)速度傳感器控制技術(shù) ，可以在線(xiàn)估計(jì)電動(dòng)機(jī)的速度和位置，從而省去了傳感器 。運(yùn)用本章提到的估計(jì)方法，還可 在線(xiàn)觀(guān)測(cè)磁鏈等物理量和辨識(shí)電阻、電感等參數(shù)，由前分析可知，這也是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制不可或缺的。 電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)一個(gè)重要內(nèi)容是 智能控制 ，本章最后對(duì)此做了簡(jiǎn)要介紹 。 3 3 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 6章 無(wú)速度傳感器控制與智能控制 3 6 .1 基于數(shù)學(xué)模型的開(kāi)環(huán)估計(jì) 三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì) 三相永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì) 三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì) 1. 利用 A B C 軸系定、轉(zhuǎn)子 電壓矢量方程估計(jì)轉(zhuǎn)速 已知在靜止 A B C 軸系中 ， 定、轉(zhuǎn)子磁鏈和電壓矢量方程為 rmsssiiψ LL ?? ( 6 1) rrsmriiψ LL ?? ( 6 2) tRddssssψiu ?? ( 6 3) rrrrrjdd0 ψψi ωtR ??? ( 6 4) 轉(zhuǎn)子電壓矢量方程中 含 有轉(zhuǎn)子速度rω ，因此可用 來(lái) 獲取轉(zhuǎn)子速度信息 ， 但是方程中有轉(zhuǎn)子電流矢量ri ，它是不可測(cè)量的，為此要將ri 從方程中消去。 4 4 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 6章 無(wú)速度傳感器控制與智能控制 4 由式 (6 2) ，可得 )(1smrrriψi LL?? ( 6 5) 將式 (6 5) 代入式 (6 4) ，則有 rsrmrrrrj1ddψiψψTLTtω??? ( 6 6) 式中 ， 定子電流si 可取實(shí)測(cè)值， 除此之外，還 需要知道轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縭ψ 及其微分 tddrψ 。 由式 (6 1) 和 式 (6 2) ，可求得 )(ssmrriψψsLLL??? ( 6 7) 由式 (6 3) ，可得 tR d)(ssss ??? iuψ ( 6 8) 5 5 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 6章 無(wú)速度傳感器控制與智能控制 5 由式 (6 7 ) 和式 (6 8 ) ，可得 ???????????????????tLRLLtLtLLtssddddddddssssmrssmrriiuiψψ (6 9) 根據(jù)su 和si 的 測(cè)量值，由式 (6 7) ～式 (6 9) 可計(jì)算出rψ 和 tddrψ 。 在實(shí)際估計(jì)中，常用式 (6 6) 在 靜止 DQ 軸系中 的分量形式，即 qDrmrddrddψiTLTψtψω???? ( 6 1 0) 式中 )(DDmrdiLψLLψs??? ( 6 1 1 ) tiRuψ d)(DsDD ??? ( 6 1 2) ??????????tiLiRuLLtψsddddDDsDmrd ( 6 1 3) ttiLiRuLLψsd ddsQmrq ????????????? ( 6 14) 6 6 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 6章 無(wú)速度傳感器控制與智能控制 6 此方法很適合基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制， 因?yàn)槿舨捎弥苯哟艌?chǎng)定向的控制方式， 必須 先 要估計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縭ψ 。 實(shí)際上，由式 (2 14 6) 和式 (2 147) 可得到式 (6 13) 和式 (6 1 4 ) ，因此在 采用電壓 電流模型估計(jì)rψ 時(shí) ，可直接利用 其運(yùn)算結(jié)果 ψ d和 ψ q 來(lái)同時(shí)求 取rω 。 7 7 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 6章 無(wú)速度傳感器控制與智能控制 7 2. 利用定子磁場(chǎng)定向軸系估計(jì)轉(zhuǎn)速 將轉(zhuǎn)子電壓 矢量 方程 (6 6) 改寫(xiě)成 rrrrsrmrjddψψiψωTTLt???? ( 6 1 5) 將式 (6 7) 和式 (6 9) 代入式 (6 15) ，可得 )(jddsssrrssssrsssiψψiiu LωTtLTLR ????????????????? ( 6 16) 方程 (6 16) 是以靜止 DQ 軸系表示的，現(xiàn)將其變換到沿定子磁場(chǎng)定向的MT 軸系 中，則有 )ee(je1eddjssjsrjsrjsssrsssssssLωTtLTLR???? ????????????????????????????? iψψiiu (6 17) 式中，s? 是sψ 在靜止 DQ 軸系中的空間相位。 8 8 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 6章 無(wú)速度傳感器控制與智能控制 8 由于 MT 軸系沿定子磁場(chǎng)定向，sψ 在 T 軸方向上的分量 0T?ψ ，則有 sTMjsje ψψ ????ψψs? ( 6 18) 于是，式 (6 17) 可 變?yōu)? ? ?Msssrrsjsssrsssjeddiψψiiu LωTtLTLRs?????????????????????????? ? ( 6 19) 式中，Msi 是以定子磁場(chǎng)定向 MT 軸系 表示的定子電流矢量。式 (6 1 9 ) 左端 表示為 stLTLRuu?jsssrsssTMeddj???????????????????????iiu ( 6 20) 在已知定子電壓和電流以及相位s? 后，由式 (6 1 9 ) 可求取Mu 和Tu TsrrsMiLωTu ????ψ ( 6 21) ? ?MssrTiLωu ??? ψ ( 6 22) 圖 6 1 為估計(jì)rω 的框圖。 9 9 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 6章 無(wú)速度傳感器控制與智能控制 9 圖 61 由定子磁場(chǎng)定向軸系估計(jì) ωr 10 10 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 6章 無(wú)速度傳感器控制與智能控制 10 可由式 (6 21) 或式 (6 2 2) 求得轉(zhuǎn)子速度rω 。現(xiàn)用式 (6 22) 來(lái)估計(jì)rω ，即 MssTr?iLuω???ψ ( 6 23) 此方法很適合基于定子磁場(chǎng) 定向 的矢量控制。定子磁場(chǎng)矢量控制本身就需要利用 “ 定子磁 鏈 模型 ” 來(lái)估計(jì)定子磁鏈?zhǔn)噶?的 幅值sψ 和空間相位s? ，為估計(jì)sψ 和s? ，同時(shí)要檢測(cè)定子電壓和電流。這樣，在估計(jì)定子磁鏈?zhǔn)噶縮ψ的同時(shí)，可以方便地由式 (6 20) 和式 (6 22) 或者式 (6 2 0) 和式 (6 21 ) 求得rω 。 此方法也適合于直接轉(zhuǎn)矩控制 ， 因?yàn)樵谥苯愚D(zhuǎn)矩控制中，原本就需要估計(jì)sψ 和s? 。 11 11 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 6章 無(wú)速度傳感器控制與智能控制 11 三相永磁同步電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)子 位置估計(jì) P MS M 在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)fψ 一定要在定子繞組中感生電動(dòng)勢(shì)（反電動(dòng)勢(shì)），于是可借助感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)估計(jì)fψ 的空間位置。 對(duì)于面裝式 P MSM ，在靜止 A B C 軸系中，由式 (3 1 6 ) ， 已知 frsssssjddψiiu ωtLR ??? ( 6 24) 式中，frj ψω 為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)0e ， 可表示為 QDrfrrfrrrfrfr0j cosjsin )sinj(c osjjeeψωψωψωω????????????ψe ( 6 25) 式中，r? 為轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縡ψ 與定子 A 軸間的電角度，即為轉(zhuǎn)子在 A B C 軸系中的位置。 可以看出，0e 中含有轉(zhuǎn)子位置信息，如果能夠 獲得De 和Qe ，就可以估計(jì)出轉(zhuǎn)子位置r? 。 12 12 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 6章 無(wú)速度傳感器控制與智能控制 12 將式 (6 24) 表示為 ???????????????????????????????????????????QDQDssQDsQD00eeiiLLpiiRuu ( 6 26) 由式 (6 26) ，可得 tiLiRuψωeddsinDsDsDrfrD????? ? ( 6 27) tiLiRuψωeddcosQsQsQrfrQ???? ? ( 6 2 8) 于是，轉(zhuǎn)子位置角r? 可由式 (6 29) 確定，即 ??????????????????tiLiRutiLiRuddddarctan?QsQsQDsDsDr? ( 6 2 9) 式中 的 定子電壓和電流為實(shí)測(cè)值。 13 13 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 6章 無(wú)速度傳感器控制與智能控制 13 基于數(shù)學(xué)模型的開(kāi)環(huán)估計(jì)可以選擇不同的數(shù)學(xué)模型，上面僅列舉了幾個(gè)例子。開(kāi)環(huán)估計(jì)簡(jiǎn)單直接，因此系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 但是，無(wú)論采用什么數(shù)學(xué)模型，都要涉及電機(jī)參數(shù)，參數(shù)的準(zhǔn)確性以及在電機(jī)運(yùn)行中的變化，勢(shì)必會(huì)影響估計(jì)的準(zhǔn)確性，這是開(kāi)環(huán)估計(jì)存在的主要技術(shù)問(wèn)題。 雖然對(duì)電機(jī) 參數(shù) 可以進(jìn)行在線(xiàn)辨識(shí)，但辨識(shí)的實(shí)現(xiàn)也需要復(fù)雜的技術(shù)，同樣是比較困難的。 14 14 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù) 第 6章 無(wú)速度傳感器控制與智能控制 14 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng) 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng) ( Model R e f er enc e A da pti ve Syst e m , MR A S)的主要特點(diǎn)是采用參考模型，由其規(guī)定了系