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作 者：湖南大學(xué)  電氣與信息工程學(xué)院  佘致廷  皮玉  董璞  黃文

1 引言
　　三相籠型異步電動(dòng)機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便、價(jià)格便宜以及慣性小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著各領(lǐng)域生產(chǎn)機(jī)械的不斷更新和發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能要求越來越高。傳統(tǒng)的直接起動(dòng)方式與降壓起動(dòng)方式因各有其局限性，如不能有效減少起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的大電流沖擊，對(duì)負(fù)載適應(yīng)能力差、起動(dòng)電流不連續(xù)、維修工作量大等等已越來越不能適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的要求。為獲得良好多變的起動(dòng)性能，采用晶閘管做主電路的電子式軟起動(dòng)器得到大量的運(yùn)用。研究的采用分級(jí)變頻的軟起動(dòng)裝置使電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，可以應(yīng)用于傳統(tǒng)軟起動(dòng)器較少涉及的重載起動(dòng)的場(chǎng)合，拓展了其應(yīng)用范圍。本文研究的另一重點(diǎn)是無速度傳感器的軟起動(dòng)，采用狀態(tài)觀測(cè)法，估算電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速，以便實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)按給定速度曲線上升的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)，具有該特性的軟起動(dòng)器能滿足對(duì)起動(dòng)速度有嚴(yán)格要求的一類負(fù)載。

2 速度觀測(cè)器的設(shè)計(jì)
　　對(duì)三相異步電機(jī)實(shí)施軟起動(dòng)的控制過程中，轉(zhuǎn)速是一個(gè)重要指標(biāo)。在對(duì)如皮帶傳輸裝置等應(yīng)用場(chǎng)合，轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)控制更顯得尤其重要。傳統(tǒng)的電機(jī)速度測(cè)量方法采用速度傳感器，但它往往存在以下問題:
（1） 速度傳感器破壞了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的剛性和簡(jiǎn)單性;
（2） 安裝速度傳感器，增加了系統(tǒng)的成本；
（3） 有些場(chǎng)合不容許外裝任何傳感器；
（4） 速度傳感器的安裝增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性[23]。
　　而無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)無需檢測(cè)硬件，免去了速度傳感器帶來的種種麻煩，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的成本;另一方面，使得系統(tǒng)的體積小、重量輕，而且減少了電機(jī)與控制器的連線，使得采用無速度傳感器的異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用更加廣泛。越來越多的學(xué)者和公司將目光放在無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)上。無速度傳感器控制系統(tǒng)的核心問題就是對(duì)轉(zhuǎn)子的速度進(jìn)行估計(jì)，主要出發(fā)點(diǎn)就是用直接計(jì)算、參數(shù)辨識(shí)、狀態(tài)估計(jì)、間接測(cè)量等手段，從定子邊較易測(cè)量的量如定子電壓、定子電流中計(jì)算出與速度有關(guān)的量，從而得到轉(zhuǎn)子速度，并將其運(yùn)用到速度反饋控制系統(tǒng)之中。
　　國(guó)外從70年代末就開展了這方面的研究工作，1975年，a.abbondanti等人首次報(bào)道了無轉(zhuǎn)速傳感器矢量控制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，由于它是由穩(wěn)態(tài)電路獲得，難以保證調(diào)速性能和精度。t.ontani首次提出了理論意義上的轉(zhuǎn)速辨別方法，1987年s.tamai引入了模型參考自適應(yīng)方法，從此，各種各樣的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法被提出。

2.1 當(dāng)前幾種速度觀測(cè)法的比較
目前無速度傳感器采用速度觀測(cè)的主要方法有:基于模型參考自適應(yīng)法的轉(zhuǎn)速辨識(shí)法、滑模變結(jié)構(gòu)法、轉(zhuǎn)差頻率推導(dǎo)法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法、擴(kuò)展卡爾曼濾波器法等。
（1）模型參考自適應(yīng)法（model reference adaptive system，簡(jiǎn)稱mras）是目前各種轉(zhuǎn)速估計(jì)方法研究的主要方向之一。模型參考這個(gè)概念首先應(yīng)用于自適應(yīng)控制，以后又用于系統(tǒng)參數(shù)在線實(shí)時(shí)估計(jì)。模型參考自適應(yīng)辨識(shí)方法所依賴的數(shù)學(xué)模型常常是線性的，因此，它在線性系統(tǒng)的參數(shù)估計(jì)上取得了較大的進(jìn)展， 而對(duì)于非線性系統(tǒng)的參數(shù)估計(jì)，目前的方法還存在局限性。模型參考自適應(yīng)的主要思想是將不含轉(zhuǎn)速的方程作為參考模型，將含有轉(zhuǎn)速的模型作為可調(diào)模型，兩個(gè)模型具有相同物理意義的輸出量，利用兩個(gè)模型輸出量的誤差構(gòu)成合適的自適應(yīng)律實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可調(diào)模型的參數(shù)（轉(zhuǎn)速），以達(dá)到控制對(duì)象的輸出跟蹤參考模型的目的。根據(jù)模型的輸出量的不同，可分為轉(zhuǎn)子磁通估計(jì)法、反電勢(shì)估計(jì)法和無功功率法。轉(zhuǎn)子磁通法由于采用電壓模型法為參考模型，引入了純積分，低速時(shí)辨識(shí)精度不理想。反電勢(shì)估計(jì)法和無功功率估計(jì)法是轉(zhuǎn)子磁通估計(jì)法的改進(jìn)，前者去掉了純積分環(huán)節(jié)，改善了估計(jì)性能，但是定子電阻的影響依然存在；后者消去了定子電阻的影響，獲得了更好的低速性能和更強(qiáng)的魯棒性。總的說來，mras是基于穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的參數(shù)辨識(shí)方法， 保證了參數(shù)估計(jì)的漸進(jìn)收斂性。但是由于mras的速度觀測(cè)是以參考模型準(zhǔn)確為基礎(chǔ)的，參考模型本身的參數(shù)準(zhǔn)確程度就直接影響到速度辨識(shí)和控制系統(tǒng)的成效。
（2）滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法是在30%額定轉(zhuǎn)速以上采用磁鏈的u-i模型，低速時(shí)切換到i-n模型。（用定子電流和轉(zhuǎn)速來確定定子磁鏈的方法稱為i-n模型法），該模型適宜于在30%額定轉(zhuǎn)速以下使用。這種系統(tǒng)有良好的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，但存在非線性引起的自振問題。

u-i模型：（1）
i-n模型：（2）
（3）從轉(zhuǎn)差頻率推導(dǎo)是根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的兩相坐標(biāo)系（即m-t坐標(biāo)系）的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型來估算轉(zhuǎn)子速度。這種方法較為簡(jiǎn)單易行，只是對(duì)轉(zhuǎn)速的跟蹤速度較慢
（3）
（4）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)性，故它與線性系統(tǒng)的自適應(yīng)控制有許多相似之處，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辯識(shí)方法便由此而產(chǎn)生，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行辯識(shí)，一般都是預(yù)先規(guī)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后通過學(xué)習(xí)系統(tǒng)的輸入和輸出，使要求的誤差函數(shù)達(dá)到最小，進(jìn)而歸納出隱含在系統(tǒng)輸入和輸出的關(guān)系。只要神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中用于計(jì)算的轉(zhuǎn)速與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速不一致時(shí)，兩模型的輸出會(huì)產(chǎn)生誤差，該誤差經(jīng)反向傳播算法后，就可用來調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的推算值ω。該系統(tǒng)性能較好，但計(jì)算量大，難于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。但是，只要有足夠的學(xué)習(xí)樣本和足夠的學(xué)習(xí)次數(shù)，離線訓(xùn)練好后用于實(shí)時(shí)控制，可獲得相當(dāng)好的控制精度。目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在理論研究還不成熟，其硬件的實(shí)現(xiàn)有一定的難度，使得這一方法的應(yīng)用還處于起步階段。
（5）擴(kuò)展卡爾曼濾波器法。將電機(jī)的轉(zhuǎn)速看作一個(gè)狀態(tài)變量，考慮電機(jī)的五階非線性模型，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器法在每一估計(jì)點(diǎn)將模型線性化來估計(jì)轉(zhuǎn)速，這種方法可有效地抑制噪聲，提高轉(zhuǎn)速估計(jì)的精確度。但是估計(jì)精度受到電機(jī)參數(shù)變化的影響較大，且卡爾曼濾波器法的計(jì)算量太大。
以上介紹的是當(dāng)前較為常用的幾種轉(zhuǎn)速估計(jì)方法。在本文中，考慮到軟起動(dòng)器只是起動(dòng)時(shí)對(duì)速度平滑上升加以控制，對(duì)速度辨識(shí)要求不是很高。

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量原理
進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量要求有精確的電機(jī)參數(shù)，一般來說，軟起動(dòng)器起動(dòng)的對(duì)象相對(duì)固定，所以假設(shè)電機(jī)參數(shù)均已知。
籠型異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d、q上的數(shù)學(xué)模型可用如下方程式描繪：
（4）

5）
轉(zhuǎn)子電壓方程與定子電壓方程如下：
（6）
 （7）
因?yàn)閐軸和q軸之間有耦合電動(dòng)勢(shì)的影響，在電動(dòng)機(jī)的輸入電壓指令中應(yīng)對(duì)這兩個(gè)交叉的電動(dòng)勢(shì)予以補(bǔ)償。設(shè)電動(dòng)機(jī)的輸入電壓包括兩個(gè)分量，其中一個(gè)為uqd或udq，用來補(bǔ)償m軸和t軸之間的耦合電動(dòng)勢(shì)，起解耦作用；另一分量為或 ，用來產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流分量或轉(zhuǎn)矩電流分量。
（8）
 （9）
在無速度傳感器情況下,電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度ωr不能直接量測(cè)得到。由于ωr未知，所以ωs不能確定。現(xiàn)假定電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度可以估計(jì)得到，并令其為 ，則有同步角頻率計(jì)算式:

（10）
  （11）
電壓型矢量控制的基本方程式如下：
 （12）
 （13）
 （14）
 （15）
其中: 。
由上式可知，如果附加一個(gè)使ψqr為零的控制，則在穩(wěn)態(tài)時(shí)，既實(shí)現(xiàn)了ψqr為零的解耦控制目的,同時(shí)又有:
 （16）
因此,采用一個(gè)pi調(diào)節(jié)器對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈q軸分量進(jìn)行ψqr為零的調(diào)節(jié)控制，并令該調(diào)節(jié)器的輸出為 ，即有電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度估計(jì)式:
 （17）
而ψqr可以根據(jù)電壓模型
而ψqr可以根據(jù)電壓模型 得到。將這個(gè)估算出的轉(zhuǎn)速作為調(diào)節(jié)器的輸入?yún)⒖剂浚涂梢詫?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

3 硬件部分的設(shè)計(jì)
　　本文控制器選用inbbb公司16位單片機(jī)80c196kc作為主控器，控制電路包括七個(gè)部分：電源電路、電流檢測(cè)電路、電壓同步檢測(cè)和相序判定電路、觸發(fā)系統(tǒng)和脈沖功放電路、接觸器控制電路、顯示和鍵盤電路和單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，如附圖所示。