CN102420561B - 基于级联高压变频器无速度传感器矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联高压变频器无速度传感器矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1）建立转子磁链电压模型；2)建立转子磁链电流模型；3)转速辨识，以步骤2）中两相旋转坐标系下的转子磁链电流模型为可调模型，以步骤1）中的转子磁链电压模型为参考模型，利用模型参考自适应系统，采用Popov超稳定理论得到转速辨识模型；4）通过速度、电流双闭环控制得到三相正弦电压参考信号、

和

；5）将三相正弦电压参考信号

、

和

送往移相式SPWM分配板，利用移相SPWM控制方法对级联功率单元进行控制，控制电机转速。采用本发明的方法，在电机轴上无需安装速度传感器，避免了安装速度编码器所带来的弊端，并且能较好地估计电机的磁链及转速。

Description

基于级联高压变频器无速度传感器矢量控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于级联高压变频器的高压交流电机控制方法，尤其涉及一种基于级联高压变频器无速度传感器矢量控制方法，属于电力电子自动控制技术领域。

背景技术

级联高压变频调速是近些年来广泛应用的一种调速技术。通过高压变频调速系统，解决了大功率风机、泵类的软起动和调速问题，节能效果显著，具有广阔的发展空间。传统的高压变频器的控制方式广泛采用恒压频比控制，即V/F控制，通常采用开环恒压频比及低频电压补偿技术，适合于风机，水泵等对调速系统动态性能要求不高的场合。然而针对轧钢机、卷扬机等调速要求较高的场合，具有优良控制性能的矢量控制级联高压变频调速系统的理论和应用技术研究逐渐成为广泛关注的热点。

自20世纪70年代西门子的F.Blaschke提出矢量控制技术以来，矢量控制以其优越的转矩控制性能，使交流传动系统的动态品质得到了显著提高。为了确定定子电流矢量的方向和建立速度闭环反馈就必须获得转速信号，通常采用光电编码盘的速度传感器进行转速检测。然而速度传感器在安装、维护、易受环境影响等方面严重影响了异步电动机调速系统的简便性、廉价性和可靠性。特别是像高压变频器应用环境比较复杂的场合，速度编码器的测量精度受环境影响比较大。因此，研究应用于级联高压变频器的高压交流电机驱动系统中的无速度传感器矢量控制意义重大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是避免安装速度编码器所带来的弊端，并且能估计电机的磁链及转速，改善电机在启动、调速、稳态运行时的静动态性能。

为了解决上述技术问题，本发明的具体实施如下：

一种基于级联高压变频器无速度传感器矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立转子磁链电压模型：

异步电动机在两相α、β静止坐标系上的转子磁链电压模型方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}=\frac{L_r}{L_m}[\∫(u_{\mathrm{s\α}}-R_s{i}_{\mathrm{s\α}})\mathrm{dt}-\mathrm{\σ}{L}_s{i}_{\mathrm{s\α}}]\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}=\frac{L_r}{L_m}[\∫(u_{\mathrm{s\β}}-R_s{i}_{\mathrm{s\β}})\mathrm{dt}-\mathrm{\σ}{L}_s{i}_{\mathrm{s\β}}]\end{array}\right.$

其中：ψ_rα为转子磁链在α轴上的磁链分量，ψ_rβ为转子磁链在β轴上的磁链分量；R_s为定子电阻；R_r为转子电阻；L_m为互感；L_s为定子每相绕组的等效自感、L_r为转子每相绕组的等效自感；u_sα、u_sβ为定子电压在α、β轴上的电压分量；i_sα、i_sβ为定子电流在α、β轴上的电流分量；

2)建立转子磁链电流模型：在两相旋转坐标系M-T坐标系下有：

${\mathrm{\ψ}}_r=\frac{L_m}{T_{r}p+1}{i}_{\mathrm{SM}}$

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{L_m}{T_r{\mathrm{\ψ}}_r}{i}_{\mathrm{ST}}$

转子磁链旋转角速度：

ω＝ω_r+ω_s

转子磁链位置：

式中：T_r为转子励磁时间常数T_r＝L_r/R_r；ω_r为转子角速度；ω_s-转差角频率；ψ_r为转子总磁链；i_SM、i_ST为定子电流在M-T坐标系下的电流分量；

3)转速辨识：以步骤2)中两相旋转坐标系下的转子磁链电流模型为可调模型，以步骤1)中的转子磁链电压模型为参考模型，采用Popov超稳定理论得到转速辨识模型。参考模型和可调模型两者比较的是同一状态变量，即磁链的角度，将改进电压磁链模型作为参考模型，认为其表示的电动机状态与实际相符，即转子磁链角度真实而又准确。在可调模型中，假设转子励磁时间常数T_r、互感L_m和转子每相绕组的等效自感L_r是准确的不变参数，而转速ω_r是可调参数，也就是需要辨识的参数。如果由可调模型估计的转子磁链角度与参考模型确定的相同，那么转速估计值

一定与实际值ω_r一致。由此可知，转速辨识的精度与转子磁链角度误差有一定关系。本发明中所使用的转速辨识方法就是根据参考模型与可调模型的转子磁链角度差所确定的自适应规律，使得可调模型的

与真实ω_r无限逼近。

转子角速度辨识公式如下：

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=(k_p+k_i\frac{1}{S}){\mathrm{\ϵ}}_w$

其中：

为辨识转速；k_p为比例系数；k_i为积分系数；θ为电压磁链模型计算的转子磁链角度；

为电流模型计算的转子磁链角度；

4)将步骤3)中转速辨识环节得到的电机转速反馈值与给定的速度参考值比较，得出的转速偏差经PI控制器，并计算得到定子相电流转矩分量i_Tref；将采样得到的电机定子三相电流无需特殊滤波处理直接经过Clarke与Park变换得到M、T旋转坐标系下的励磁电流分量i_M和转矩电流分量i_T值，励磁电流分量i_M和转矩电流分量i_T分别与励磁电流参考信号i_SM ^*和转矩电流参考信号i_ST ^*比较并进行PI控制，得到M轴和T轴电压分量V_Mref和V_Tref。之后，将V_Mref和V_Tref经Park逆变换和Clarke逆变换得到三相正弦电压参考信号V_Aref、V_Bref和V_Cref；

5)将三相正弦电压参考信号V_Aref、V_Bref和V_Cref送往移相式SPWM分配板，利用移相SPWM控制方法对级联功率单元进行控制，控制电机转速。

本发明采用一种改进的模型参考自适应系统(MRAS)来辨识异步电机转速，以两相旋转坐标系下的转子磁链电流模型为可调模型，以改进的转子磁链电压模型为参考模型，采用Popov超稳定理论，根据参考模型与可调模型的转子磁链角度差所确定的自适应规律，使得辨识转速与真实转速无限接近，从而在保证系统稳定的条件下来辨识异步电动机的转速。

将检测的电机定子相电压和相电流无需经过特殊滤波处理，经Clarke变换得到两相静止坐标系上的电压电流信号u_α、u_β、i_α、i_β，采用改进的电压磁链模型对转子磁链进行观测。

通过一种改进的模型参考自适应系统(MRAS)转速辨识环节得到的电机转速反馈值，与给定的速度参考值比较，得出的转速偏差经PI控制器，并计算得到定子相电流转矩分量i_Tref；将采样得到的电机定子三相电流无需特殊滤波处理直接经过Clarke与Park变换得到M、T旋转坐标系下的励磁电流分量i_M和转矩电流分量i_T值，i_M和i_T分别与励磁电流参考信号i_SM ^*和转矩电流参考信号i_ST ^*比较并进行PI控制，得到M轴和T轴电压分量V_Mref和V_Tref。之后，将V_Mref和V_Tref经Park逆变换和Clarke逆变换得到三相正弦电压参考信号V_Aref、V_Bref和V_Cref，送往移相式SPWM分配板，利用移相SPWM控制技术对级联功率单元进行控制，达到控制电机转速的目的。

本发明所达到的有益效果：本发明的无速度传感器矢量控制方法应用在级联高压变频器的高压交流电机驱动系统中，在电机轴上无需安装速度传感器，避免了安装速度编码器所带来的弊端。并且能较好地估计电机的磁链及转速，使得所驱动的高压交流电动机能够获得与直流电动机相似的输出转矩特性，有效地改善了电机在启动、调速、稳态运行时的静动态性能。

附图说明

图1本发明的级联高压变频器无速度传感器矢量控制系统结构图；

图2改进的转子磁链电压模型图；

图3基于两相同步旋转坐标系下转子磁链电流模型图；

图4转速辨识模型图。

具体实施方式

本发明为一种按转子磁场定向的级联高压变频器无速度传感器矢量控制方法，设定坐标轴M，T以同步转速ω旋转，且规定M轴沿着转子总磁链矢量ψ_r的方向，此时，异步电动机在两相(M、T)旋转坐标系上的数学模型：

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{SM}}\\ u_{\mathrm{ST}}\\ 0\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}{R}_s+L_{s}p& -\mathrm{\ω}{L}_s& L_{m}p& -\mathrm{\ω}{L}_m\\ \mathrm{\ω}{L}_s& R_s+L_{s}p& \mathrm{\ω}{L}_m& L_{m}p\\ L_{m}p& -{\mathrm{\ω}}_s{L}_m& R_r+L_{r}p& -{\mathrm{\ω}}_s{L}_r\\ {\mathrm{\ω}}_s{L}_m& L_{m}p& {\mathrm{\ω}}_s{L}_r& R_r+L_{r}p\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{SM}}\\ i_{\mathrm{ST}}\\ i_{\mathrm{rM}}\\ i_{\mathrm{rT}}\end{array}\right)$

经运算后得到矢量控制下的转矩方程式为：

$T_e=n_p\frac{L_M}{L_r}{i}_{\mathrm{ST}}{\mathrm{\ψ}}_r$

由于M轴与转子总磁链矢量ψ_r的方向一致，即有如下磁链方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rM}}=L_m{i}_{\mathrm{SM}}+L_r{i}_{\mathrm{rM}}={\mathrm{\ψ}}_r\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rM}}=L_m{i}_{\mathrm{ST}}+L_r{i}_{\mathrm{rT}}=0\end{array}\right.$

R_s-定子电阻；R_r-转子电阻；L_m-互感；L_s、L_r-定、转子每相绕组的等效自感；ω-电机电角频率，即同步转速；ω_s-转差角频率；p-微分因子；i_SM、i_ST-定子电流；i_rM、i_rT-转子电流。

由此可知，异步电动机在M、T坐标轴上的转矩方程与直流电动机非常相似，对异步电动机的分析就可以转化成对直流电动机的分析，从而简化对异步电动机的控制。

由图1所示的级联高压变频器无速度传感器矢量控制系统结构图可知，本发明的具体实现步骤如下：

1、采用一种改进的模型参考自适应系统(MRAS)来辨识异步电机转速，以两相旋转坐标系下的转子磁链电流模型为可调模型，以改进的转子磁链电压模型为参考模型，采用Popov超稳定理论，根据参考模型与可调模型的转子磁链角度差所确定的自适应规律，使得辨识转速与真实转速无限接近，从而在保证系统稳定的条件下来辨识异步电动机的转速。

2、将检测的电机定子相电压和相电流无需经过特殊滤波处理，经Clarke变换得到两相静止坐标系上的电压电流信号u_α、u_β、i_α、i_β，采用改进的电压磁链模型对转子磁链进行观测。

3、通过一种改进的模型参考自适应系统(MRAS)转速辨识环节得到的电机转速反馈值，与给定的速度参考值比较，得出的转速偏差经PI控制器，并计算得到定子相电流转矩分量i_Tref；将采样得到的电机定子三相电流无需特殊滤波处理直接经过Clarke与Park变换得到M、T旋转坐标系下的励磁电流分量i_M和转矩电流分量i_T值，i_M和i_T分别与励磁电流参考信号i_SM ^*和转矩电流参考信号i_ST ^*比较并进行PI控制，得到M轴和T轴电压分量V_Mref和V_Tref。之后，将V_Mref和V_Tref经Park逆变换和Clarke逆变换得到三相正弦电压参考信号V_Aref、V_Bref和V_Cref，送往移相式SPWM分配板，利用移相SPWM控制技术对级联功率单元进行控制，达到控制电机转速的目的。

本发明中的转子磁链观测：

转子磁链电压模型

异步电动机在两相α、β静止坐标系上的转子磁链电压模型方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}=\frac{L_r}{L_m}[\∫(u_{\mathrm{s\α}}-R_s{i}_{\mathrm{s\α}})\mathrm{dt}-\mathrm{\σ}{L}_s{i}_{\mathrm{s\α}}]\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}=\frac{L_r}{L_m}[\∫(u_{\mathrm{s\β}}-R_s{i}_{\mathrm{s\β}})\mathrm{dt}-\mathrm{\σ}{L}_s{i}_{\mathrm{s\β}}]\end{array}\right.$

要实现按转子磁链定向的无速度传感器矢量控制，磁链观测非常重要。通常采用基于两相静止α、β坐标系下定子电压和定子电流的电压模型对转子磁链进行估计。电压模型中不包含转子电阻，因此受转子参数的影响比较小。而且不包含转速信息，所以适合应用于无速度传感器控制。但从上式中可以看出，电压模型中包含积分环节，积分环节的误差累计和积分漂移现象比较严重，甚至使系统不能稳定运行。在此，用一阶低通滤波器替代纯积分环节，并增加一个补偿项来补偿这种替代产生的误差。由于这种替代所引起磁链幅值和相位的误差，可以通过参考磁链矢量经过低通滤波后的矢量予以准确补偿。

图2为本发明中所使用的改进转子磁链电压模型。

转子磁链电流模型

基于两相旋转坐标系下异步电机基本方程，得转子磁链电流模型如下：

${\mathrm{\ψ}}_r=\frac{L_m}{T_{r}p+1}{i}_{\mathrm{SM}}$

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{L_m}{T_r{\mathrm{\ψ}}_r}{i}_{\mathrm{ST}}$

转子磁链旋转角速度：

ω＝ω_r+ω_s

转子磁链位置：

式中：T_r为转子励磁时间常数T_r＝L_r/R_r；ω_r为转子角速度；ω_s-转差角频率；ψ_r为转子总磁链；i_SM、i_ST为定子电流在M-T坐标系下的电流分量；

图3所示为在两相旋转坐标系M-T下的转子磁链电流模型。

本发明中的异步电机转速辨识：

转速辨识

转速辨识模型如图4所示。采用一种改进的模型参考自适应系统(MRAS)来辨识异步电机转速，以两相旋转坐标系下的转子磁链电流模型为可调模型，以改进的转子磁链电压模型为参考模型，采用Popov超稳定理论得到转速辨识模型。参考模型和可调模型两者比较的是同一状态变量，即磁链的角度，将改进电压磁链模型作为参考模型，认为其表示的电动机状态与实际相符，即转子磁链角度真实而又准确。在可调模型中，假设T_r、L_m和L_r是准确的不变参数，而转速ω_r是可调参数，也就是需要辨识的参数。如果由可调模型估计的转子磁链角度与参考模型确定的相同，那么转速估计值一定与实际值ω_r一致。由此可知，转速辨识的精度与转子磁链角度误差有一定关系。本发明中所使用的转速辨识方法就是根据参考模型与可调模型的转子磁链角度差所确定的自适应规律，使得可调模型的

与真实ω_r无限逼近。

转子角速度辨识公式如下：

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=(k_p+k_i\frac{1}{S}){\mathrm{\ϵ}}_w$

其中：

为辨识转速；

k_p为比例系数；k_i为积分系数；θ为转子磁链电压磁链模型计算的转子磁链角度；

为转子磁链电流模型计算的转子磁链角度。

以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于级联高压变频器无速度传感器矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立转子磁链电压模型：

异步电动机在两相α、β静止坐标系上的转子磁链电压模型方程为：

其中：ψ_rα为转子磁链在α轴上的磁链分量，ψ_rβ为转子磁链在β轴上的磁链分量；R_s为定子电阻；R_r为转子电阻；L_m为互感；L_s为定子每相绕组的等效自感、L_r为转子每相绕组的等效自感；u_sα、u_sβ为定子电压在α、β轴上的电压分量；i_sα、i_sβ为定子电流在α、β轴上的电流分量，σ为漏磁系数，

2)建立转子磁链电流模型：在两相旋转坐标系M-T坐标系下有：

转子磁链旋转角速度：

ω＝ω_r+ω_s

转子磁链位置：

式中：T_r为转子励磁时间常数T_r＝L_r/R_r；ω_r为转子角速度；ω_s-转差角频率；ψ_r为转子总磁链；i_SM、i_ST为定子电流在M-T坐标系下M轴、T轴的电流分量；p为微分算子；

3)转速辨识：以步骤2)中两相旋转坐标系下的转子磁链电流模型为可调模 型，以步骤1)中的转子磁链电压模型为参考模型，采用Popov超稳定理论得到转速辨识模型，转子角速度辨识公式如下：

其中： 

为辨识转速； 

kp为比例系数；k_i为积分系数；θ为电压磁链模型计算的转子磁链角度； 

为电流模型计算的转子磁链角度，S为积分算子；

4)将步骤3)中转速辨识环节得到的电机转速反馈值与给定的速度参考值比较，得出的转速偏差经PI控制器，并计算得到定子相电流转矩分量i_Tref；将采样得到的电机定子三相电流无需特殊滤波处理直接经过Clarke与Park变换得到M、T旋转坐标系下的励磁电流分量i_M和转矩电流分量i_T值，励磁电流分量i_M和转矩电流分量i_T分别与励磁电流参考信号i_SM ^*和转矩电流参考信号i_ST ^*比较并进行PI控制，得到M轴和T轴电压分量V_Mref和V_Tref，将V_Mref和V_Tref经Park逆变换和Clarke逆变换得到三相正弦电压参考信号V_Aref、V_Bref和V_Cref；

5)将三相正弦电压参考信号V_Aref、V_Bref和V_Cref送往移相式SPWM分配板，利用移相SPWM控制方法对级联功率单元进行控制，控制电机转速。 

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