无传感器速度控制的单相感应电动机驱动系统使用面向领域的控制

诉Thirumurugan¹Dinu保罗²

EEE系助理教授,Kavery工程大学,萨勒姆,Tamilnadu、印度
PG学生(PED)部门。Kavery EEE的工程学院,萨勒姆,Tamilnadu,印度

文摘

通常是找到单相感应电动机(SPIM)在几个房子,办公室,购物,农场,和工业用途,成为每一次更精炼和要求变速驱动器。针对这台机器的成本低,无传感器的识别速度控制更加合理选择SPIM驱动器。本文提出一种投标无传感器变速SPIM驱动基于直接转子磁场定向技术。观众基于线性闭环控制系统提供了两个独立的评估转子磁通和速度测量的定子电流和电压。使用这些估计闭环系统forspeed控制和流量调节togovern电压应用的主要的三条腿和辅助绕组的电压源逆变器。没有变量变换用于这温柔为了消除SPIM的定子绕组的不对称。提出的无传感器速度控制的性能是令人满意的从计算机模拟验证。

关键字

无传感器,单相感应电动机驱动器,直接转子磁场定向。

介绍

传统上用于分数和sub-fractional马力应用,单相感应电动机(SPIM)通常是发现在几个王朝,办公室,购物,农场,和工业电器如空调系统、搅拌机、垫圈、鼓风机、压缩机、风扇、吸尘器、水泵等等。建立SPIM基本上是一个不平衡的电机鼠笼式转子和不同阻抗。当机器由单相电源,主绕组产生一个脉动和静止的磁场,而辅助绕组,通常与一个串联电容器,模拟第二阶段获得SPIM的启动转矩。虽然辅助绕组通常是由离心开关断开时SPIM转子达到额定速度的60%到80%,它可以保持在运行操作,以提供更高和更少的冒泡的扭矩。许多建议图书SPIM性能为基础的使用electronicallyswitched串联电容器的辅助绕组,可以控制改善机器性能在不同的操作条件。更博学的应用程序的开发和引进低成本静态功率转换器的发展激发了SPIM变速驱动器。

最SPIM驱动控制技术的使用常数V arebased如果关系或与磁场定向矢量控制,通常employingproper变量转换为了忽略定子绕组的对称。无传感器的控制技术是更合理的选择部分和低成本SPIM应用程序,因为小尺寸和低成本的汽车并没有证实的使用速度传感器由于reductionof可靠性和增加的复杂性,成本,困难,重量,尺寸,和电气易感性。一些方法建议SPIM驱动器的无传感器控制,转子转速的估计通常从机获得模型和定子电压和电流的测量。提出了一种无位置传感器变速SPIM驱动方案基于直接转子磁场定向技术。

观察者基于两个自治线性close-loopcontrol系统提供了估计转子磁通的定子电流和电压的测量,consentinga更好的转子磁通调节转矩控制的解耦。从这些转子磁通观察员,转子速度估计。使用这些estimatives闭环systemsfor速度控制和流量调节为了确定电压应用的主要的三条腿和辅助绕组的电压源逆变器。没有变量变换中使用这个提议为了消除SPIM的定子绕组的不均匀。表示建议的无传感器控制速度令人满意地证明了计算机模拟

面向领域的控制

磁场定向控制方法控制的频率、振幅和相位的马达驱动电压向量由定子电流产生。面向领域的控制(FOC)加快了inductionmotor控制方法类似于DCmotor。一个简单的控制,如V / Hz策略限制性能。

达到改善动态性能更多方面的控制方案需要功能,控制感应电动机。微控制器提供的数学分配权力,实现先进控制策略,它使用算术转换为了分离扭矩生产和交流感应电机磁化功能。这种解耦扭矩和磁化控制通常被称为面向转子磁通控制,或者只是磁场定向控制(FOC)

FOC背后的主要哲学

为了理解磁场定向控制技术的精神,让我们首先概述的他励直流电(DC)发动机。在这种类型的电机,定子和转子的励磁独立性而言,控制。电子直流电机的研究表明,产生转矩和磁通可以独立调整。场激励的强度(现场励磁电流的大小)集流量的价值。

转子绕组中电流决定了产生转矩。转子上的整流anstimulating作用扭矩生产。整流接触画笔,和机械装配设计开关电路雷竞技网页版的绕组机械附属生产的最大扭矩。这样的安排意味着机器的转矩的形成是令人信服地附近最优惠的。绕组是成功的关键是保持通量由转子绕组与定子磁场正交。感应的机器没有关键面部外观相同的直流电机。

这样的安排意味着机器的扭矩生产是公平接近最优的绕组是设法保持转子绕组产生的磁通与定子磁场正交。船的目标(也称为矢量控制)在同步和异步机是能够控制转矩产生独特和磁化通量组件。矢量控制相应生成一个三相PWM电机电压输出来源于一个复杂的电压矢量控制一个复杂的电流矢量来源于电动机的定子电流输入之间来回通过预测或旋转的单步速度和与时间有关的系统和这些向量的旋转参考系二坐标时不变系统。

如此复杂的电机定子电流空间矢量可以定义在一个(d, q)坐标系统与正交组件沿d(直接)和q(正交)轴,这样场磁链分量的电流沿着d轴和转矩分量的电流沿着q轴对齐。感应电动机的(d, q)坐标系统可以叠加到发动机的瞬时(a, b, c) three-phasesinusoidal系统(d, q)系统的组件。电流矢量,许可证等传统控制比例和积分,或PID控制,为直流电机。

预测相关(d, q)坐标系统通常涉及

预估从瞬时电流(a, b, c)复杂的定子电流空间矢量插图的三相正弦系统。

向前3:2阶段,(a, b, c) - - - - (,)

矢量控制的实现通常假设无稽的电机与三相对称电流,这样只有两个汽车当前阶段需要感觉。同时,落后两到三阶段,(,)- - - - (a, b, c)投影使用空间矢量PWM modulaton。

然而,它也不例外的来源使用3:2,(a, b, c)———(d, q)和逆投影。

解耦的转矩和磁场电流从而可以来源于原始定子电流输入控制算法开发。

而在直流电机磁场和转矩组件可以单独操作相对简单的控制各自的字段和电枢电流,廉价的控制交流电机的变速应用程序开发的基于微处理器的控制要求。逆变器可以实现为无openloop传感器或闭环FOC,开环运行的关键限制可能至少要速度扭矩100%,即0.8赫兹而停滞为闭环操作。

有两个矢量控制方法,直接或反馈矢量控制(DFOC)和间接或feedforwardvector控制(IFOC) IFOC更常用,因为驱动器等闭环模式更容易操作在整个速度范围从零速度高速场强减弱。在DFOC,通量和角度反馈信号直接计算使用所谓的电压或电流模型。在IFOC,通量空间角前馈和通量大小信号测量定子电流和转子速度然后推导通量的空间角适当通过加总转子角对应的转子速度和滑动角的计算参考价值对应频率。无传感器控制AC驱动器effiencient成本和可靠性方面的考虑。转子转速要求派生的无传感器控制信息从考虑定子电压和电流结合开环估计或闭环观察员。

为什么磁场定向控制

异步机有一些自然的限制与V / Hz控制的态度。船绕过这些限制,解耦控制转矩和磁化通量的影响。与torque-producing thedecoupled控制磁化系数定子磁通现在可以考虑作为独立的转矩控制。解耦控制,在低速,磁化可以维持在适当的水平,可以禁止和转矩调节速度。微控制器使提供的处理能力进行数学转换非常迅速。这反过来意味着整个算法指导汽车可以快速执行,使更高的有力表现。除了脱钩,电动机的动态副本现在用于等物理量的计算转子磁通角和转子速度。这意味着,他们的权力是占,的总体质量控制是提高。

无传感器控制

因此,这开启了一个新的有吸引力的研究领域,在过去的几年里已经达到了市场上各种不同的解决方案。神经网络、人工智能和无传感器。控制感应电动机驱动器没有机械电机轴速度传感器的低成本和高一致性的吸引力。更换传感器转子速度从测量获得的信息在电机定子电压和电流终端。矢量控制驱动包括估计的大小和方向的基本磁波定子或转子。开环估计或闭环观察员是用于此目的。它们的区别在于正确度、健壮性和对模型参数变化的敏感性。动态行为和稳态速度精度在低速范围内可以通过利用骗取的机器。

模拟图

三相电源转化为直流变换器。然后,通过逆变器交流直流转换。变频器控制场效应管开关脉冲通过图片控制器。图片从感应电动机控制器得到速度和频率反馈和它产生脉冲开关mosfet逆变器。基于此脉冲逆变器输出变化保持V / f常数。这种方法速度控制的单相感应电动机由V / F控制方法有效。thesubsytem单元测量电流和电压转换为相应的模拟值,进而给PWM逆变器。

仿真结果

拟议的变速传动sensorlesssystem SPIM图3所示,和它的性能在速度和流量控制计算模拟,证明SPIM启动半负载和加速到250 rpm。5秒后,发展速度机器再次加速到250 rpm。滑模观测器估计准确的转子速度和速度控制产品性能好,因为Wrfollows参考误差最小的3%以上。转子的振幅通量Ar几乎保持恒定的流量控制系统。相应的速度特征如图4所示,最初的速度为零,有时后给定的速度发展。

转矩为零则后产生的转矩要求4 n / m最后落定到一个较低的值。转矩特征如图5所示。系统的调速和转矩特性改善很多传感器相比速度控制方案。也主要和辅助绕组电流有改善。

结论

速度控制的感应电动机驱动器是广泛机电系统适合于大范围的工业应用。当高动态性能和高精密控制需要在宽速度范围内,感应电动机矢量控制基于速度传感器的可访问性。然而,速度传感器减少IM驱动器的鲁棒性和可靠性,增加其成本。因此,对于中、低性能应用程序,无传感器控制的感应电动机正成为一个工业惯例。近年来,多种不同的解决方案已经应用于有利可图的产品;同时,我无传感器控制的问题大大治疗技术文献,成为一个华丽的分配不同的非线性控制技术。这个项目提出了一种无位置传感器变速方案基于直接转子磁场定向techuiques SPIM驱动。

基于两个独立的观察者线性闭环控制系统提供了评估转子通量和速度测量的定子电流和电压。定子电压和电流测量的当前和潜在的变形金刚。使用这些estimatives闭环速度控制和流量调节系统为了决定电压应用主要和辅助绕组的电压源逆变器的三条腿。使用Pic单片机作为嵌入式控制器。因此,转速控制的帮助没有获得任何类型的传感器。提出的无传感器速度控制的性能是令人满意地证明了计算机模拟。

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