CN103475295B - 一种基于无功功率的感应电机转子磁场相位在线校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无功功率的感应电机转子磁场相位在线校正方法，包括：对待检测的交流感应电机驱动系统执行采样，并获得系统状态变量信息；当驱动系统处于稳态运行时，根据系统状态变量信息来计算此时的无功功率偏差；将计算出的无功功率偏差与设定的无功功率偏差阈值相比较，并当无功功率偏差超出所设定的阈值时，启动搜索寻优过程并根据无功功率偏差的变化趋势来确定搜索方向及搜索步长，相应按照所寻优的搜索步长来实时调整转子电气时间常数，由此实现磁场相位在线校正过程。通过本发明，能够以高效率、便于操作的方式实现对转子磁场相位更为精确的计算及实时校正，并对电机参数尤其是电阻参数的变化具备很强的鲁棒性。

Description

一种基于无功功率的感应电机转子磁场相位在线校正方法

技术领域

本发明属于机电一体化的电机控制技术领域，更具体地，涉及一种基于无功功率的感应电机转子磁场相位在线校正方法。

背景技术

交流感应电机高速化驱动系统的工作原理是基于转子磁场的定向控制，因此磁场相位的准确获取是实现磁场与力矩解耦控制的基础。对于感应电机而言，转子磁场是通过定、转子电流感应产生的，磁场方向的确定通常需要建立相应的磁链观测器，磁场相位观测的准确性依赖于观测器中使用的电机参数是否准确。在间接转子磁场定向控制方案中，采用电流模型计算转子磁场相位，转子电气时间常数是否准确对磁场相位观测影响很大。

然而，当感应电机在较宽的频率范围运行时，其电感参数会随着磁场的调节而变化，其电阻参数也会随着电机绕组温度的变化而改变，在此情况下，交流感应电机转子电气时间常数易受到电机磁场和电机温度变化的影响。若电流模型中采用的转子电气时间常数观测值无法实时跟随真实的转子电气时间常数的变化，会导致磁场相位计算产生偏差，进而对交流感应电机驱动系统的控制性能产生直接的不利影响。相应地，在电机控制技术领域中存在着以下的技术需求，即寻找一种新型的转子电气时间常数检测方式，并在不易受到电机参数影响的情形下实现对感应电机转子磁场相位的准确计算及实时校正过程。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或技术需求，本发明提供了一种基于无功功率的感应电机转子磁场相位在线校正方法，其中通过对影响转子磁场相位观测准确性的主要因素进行研究和分析，相应采用无功功率作为衡量指标来判断所观测的磁场位置与实际磁场位置是否发生偏离，进而执行在线搜索及调整转子电气时间常数，由此能够以高效率、便于操作的方式实现对转子磁场相位更为精确的计算及实时校正，并对电机参数尤其是电阻参数的变化具备很强的鲁棒性。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于无功功率的感应电机转子磁场相位在线校正方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）对待检测的交流感应电机驱动系统执行采样，并获得包括电压矢量电流矢量和电机同步电角速度ω_e在内的系统状态变量信息；

（b）当驱动系统处于稳态运行时，根据步骤（a）所获得的系统状态变量信息来计算此时的无功功率偏差Q_err；

（c）将计算出的无功功率偏差Q_err与设定的无功功率偏差阈值Q_err0相比较，并当无功功率偏差Q_err超出所设定的偏差阈值Q_err0时，执行以下过程：

（c1）根据预设的搜索步长参考值ΔT_r0，将搜索步长ΔT_r初始化为ΔT_r0/m，其中m被赋值为2～4，然后启动搜索；

（c2）在搜素过程中，实时判断连续两次所计算出的无功功率偏差Q_err是否更接近于0：若是，则转步骤（c3）；若否，则转步骤（c4）：

（c3）将搜索步长赋值为ΔT_r=ΔT_r+ΔT_r0/n，其中n被赋值为4～8，继续执行搜索，然后转至步骤（d）；

（c4）将搜索步长赋值为ΔT_r=-ΔT_r0/m，继续执行反向搜索，然后转至步骤（d）；

（d）利用步骤（c）所确定的搜索步长来计算和实时调整转子电气时间常数观测值由此实现感应电机转子的磁场相位在线校正过程。

作为进一步优选地，所述m等于2，n等于8。

作为进一步优选地，所述预设的搜索步长参考值ΔT_r0优选被设定为转子电气时间常数初始辨识值的10%。

总体而言，按照本发明的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过采用无功功率作为衡量指标，在磁场相位在线校正过程中对电机参数具备较低的依赖性，尤其对电阻参数的变化具备很强的鲁棒性，实践测试表明，能够以高效率、便于操作的方式实现对转子磁场相位高精确的计算及实时校正；

2、由于在电机的实际运行过程中，其转子电气时间常数的变化范围易于预知且相对于初始辨识值的变化不会太大，因此按照本发明的在线校正方法能够保证其寻优的收敛速度；

3、此外，由于采用电流模型来观测计算转子磁场相位，对于因电机参数变化导致的转差频率计算偏差具有较强的抑制能力，可使磁场相位观测偏差增大到一定角度后稳定不变，而不会无限增大；相应地，上述方法能够实时跟踪电机参数的变化，准确获得转子磁场的相位，在较大程度上改善磁场相位观测的准确性。

附图说明

图1是按照本发明的磁场相位在线校正方法的工艺流程图；

图2是用于感应电机转子磁场定向控制的T-I型等效电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如前所述地，当感应电机在较宽的频率范围运行时，影响电机转子磁场相位观测准确性的主要因素包括：转子电气时间常数T_r发生变化、忽略铁耗的影响等。其中铁耗的影响只在电机频率达到一定程度后才凸显出来，而且关于铁耗的补偿是相当困难的，不可回避地面临着铁耗等效电阻R_fe的辨识问题，而转子电气时间常数T_r的变化在整个运行区间对磁场相位的观测影响都较大，其变化规律相对来说也比较明了，下面对T_r变化的在线补偿方法做具体的推导：

如图2中所示，励磁支路吸收的无功功率Q被定义如下，其中表示感应电机的转子反电动势，表示电流矢量：

$Q=\stackrel{\→}{E_r}\⊗\stackrel{\→}{I_s}---\left(1\right)$

而感应电机的转子反电动势的计算公式如下，其中表示电压矢量，R_s表示电机定子电阻，表示电流矢量，j表示虚数单位，ω_e表示感应电机的同步电角速度，σ表示感应电机的漏感因子，L_s表示感应电机的定子全电感：

$\stackrel{\→}{E_r}=\stackrel{\→}{U_s}-R_s\stackrel{\→}{I_s}-j{\mathrm{\ω}}_e\mathrm{\σ}{L}_s\stackrel{\→}{I_s}---\left(2\right)$

联立以上两式可得如下表达式（3），其中u_sα、u_sβ分别表示感应电机的定子电压α轴和β轴分量，i_sα、i_sβ分别表示感应电机的定子电流α轴和β轴分量（α-β表示两相静止坐标系），u_s、i_s分别表示感应电机的定子电压和电流矢量幅值：

$Q=(\stackrel{\→}{U_s}-R_s\stackrel{\→}{I_s}-j{\mathrm{\ω}}_e\mathrm{\σ}{L}_s\stackrel{\→}{I_s})\⊗\stackrel{\→}{I_s}$

$=\stackrel{\→}{U_s}\⊗\stackrel{\→}{I_s}-j{\mathrm{\ω}}_e\mathrm{\σ}{L}_s\stackrel{\→}{I_s}\⊗\stackrel{\→}{I_s}---\left(3\right)$

$=(u_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{s\α}}-u_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{s\β}})-{\mathrm{\ω}}_e\mathrm{\σ}{L}_s{i}_s^2$

此外，可以根据等效电路各变量的观测值直接计算励磁支路的无功功率观测值如以下表达式（4）所示，其中表示感应电机同步电角速度的观测值，表示感应电机的定子电流d轴分量的观测值（d-q表示转子磁场定向同步旋转坐标系）：

$\hat{Q}={\widehat{\mathrm{\ω}}}_e{\hat{i}}_{\mathrm{sd}}^2(L_s-{\mathrm{\σL}}_s)---\left(4\right)$

从以上表达式（3）可以看出，在感应电机处于稳态状况下，它的各状态变量的值均可准确获取并与磁场相位是否准确无关，利用表达式（3）可以获得无功功率的真实值；而从表达式（4）可以看出，无功功率的观测值是否等于其真实值取决于是否等于它们各自的真实值。由于当系统处于稳态时，无论磁场定向是否准确，均有成立，因此得出结论无功功率的观测值是否等于其真实值就可以反映是否等于其真实值，相应也就间接体现出观测的磁场相位与实际磁场相位是否发生偏离。

基于以上分析，本发明的实施原理如下，其中表示对感应电机定子全电感的观测值，分别表示对感应电机的定子电流d轴、q轴分量的观测值，表示对感应电机漏感因子的观测值：

令无功功率偏差 $Q_{\mathrm{err}}=|Q-\hat{Q}|=|(u_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{s\α}}-u_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{s\β}})-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_e{\hat{L}}_s({\hat{i}}_{\mathrm{sd}}^2+\widehat{\mathrm{\σ}}{\hat{i}}_{\mathrm{sq}}^2)|---\left(5\right)$

由定子电压稳态方程可推导得出：

$Q_{\mathrm{err}}=|Q-\hat{Q}|=|(u_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{s\α}}-u_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{s\β}})-u_s({\hat{i}}_{\mathrm{sd}}^2+\widehat{\mathrm{\σ}}{\hat{i}}_{\mathrm{sq}}^2)/\sqrt{{\hat{i}}_{\mathrm{sd}}^2+{\widehat{\mathrm{\σ}}}^2{\hat{i}}_{\mathrm{sq}}^2}|---\left(6\right)$

因此，若且定子电压、电流采样值准确，理想情况下，当磁场定向准确时，Q_err=0；当磁场定向存在偏差时，Q_err≠0。这样当电机在运行过程中且处于稳态时，可根据实时计算的无功功率偏差Q_err值，对磁场相位进行在线校正，使观测到的磁场位置向实际磁场位置靠近。考虑到转子电气时间常数T_r随运行工况的变化是导致磁场相位观测产生偏差的主要原因，可构造在线搜索寻优模块以实时跟踪的变化，将实时寻优获取的用于磁场相位观测，以间接达到校正磁场相位的目的。

图1是按照本发明的磁场相位在线校正方法的工艺流程图。如图1中所示，按照本发明的磁场相位在线校正方法以无功功率偏差Q_err是否为零为参考依据，在系统试运行期间辨识得到的转子电气时间常数初始值的基础上，通过自动变步长搜索方法实时调整以提高磁场相位观测的准确性。图中Q_err0是无功功率偏差的阈值(接近于零)，ΔT_r0、ΔT_r分别为搜索步长的计算参考值和搜索步长(ΔT_r0>0)，T_{r_min}、T_{r_max}表示实际电机在各种运行工况下转子电气时间常数的变化范围，这些量需根据实际系统调试确定。

更为具体地，按照本发明的磁场相位在线校正方法主要包括以下步骤：

首先，对待检测的交流感应电机驱动系统执行采样，并获得包括电压矢量电流矢量和电机转子电角速度ω_r在内的系统状态变量信息；

接着，根据连续若干个控制周期速度指令或速度反馈ω_r是否存在大幅度变化判断系统是否处于稳态；并当驱动系统处于稳态运行时，根据上一步骤所获得的系统状态变量信息来计算此时的无功功率偏差Q_err，然后将计算出的无功功率偏差Q_err与设定的无功功率偏差阈值Q_err0相比较，并当无功功率偏差Q_err超出所设定的偏差阈值Q_err0时，执行以下过程：

（i）根据预设的搜索步长参考值ΔT_r0，将搜索步长ΔT_r譬如初始化为ΔT_r0/2，然后启动搜索；

(ii)在搜素过程中，实时判断连续两次所计算出的无功功率偏差Q_err是否更接近于0：若是，则转步骤（iii）；若否，则转步骤（iv）：

（iii）将搜索步长例如赋值为ΔT_r=ΔT_r+ΔT_r0/4，继续执行搜索，然后转至步骤（v）；

（iv）将搜索步长赋值为ΔT_r=-ΔT_r0/2，继续执行反向搜索，然后转至步骤（v）；

（v）利用以上所确定的搜索步长来计算和实时调整转子电气时间常数由此实现感应电机转子的磁场相位在线校正过程。

通过以上在线校正过程，每次启动搜索时可以根据实时计算出的Q_err是否小于所设定的Q_err0来决定是否终止搜索，且根据Q_err的变化趋势来确定搜索方向及搜索步长。若Q_err的变化趋势逐渐逼近于零，则说明搜索方向正确，此种情况下搜索步长将自动增大以加快搜索速度；若Q_err的变化趋势逐渐远离零，则说明搜索方向错误或搜索值刚刚跨越真实值，此时将自动改变搜索方向并减小搜索步长，通过上述机制可使在若干个控制周期内逼近于其真实值，而且可以根据实际工况及具体需求，适当设定无功功率偏差阈值Q_err0和搜索步长参考值ΔT_r0，以便进一步调整搜索寻优的收敛速度和搜索精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于无功功率的感应电机转子磁场相位在线校正方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)对待检测的交流感应电机驱动系统执行采样，并获得包括电压矢量电流矢量和电机同步电角速度ω_e在内的系统状态变量信息；

(b)当驱动系统处于稳态运行时，根据步骤(a)所获得的系统状态变量信息来计算此时的无功功率偏差Q_err，其中该无功功率偏差Q_err的计算公式为：励磁支路实际吸收的无功功率Q与计算励磁支路的无功功率观测值这两者之间差的绝对值，即

(c)将计算出的无功功率偏差Q_err与设定的无功功率偏差阈值Q_err0相比较，并当所述无功功率偏差Q_err超出所设定的无功功率偏差阈值Q_err0时，执行以下过程：

(c1)对转子电气时间常数进行搜索步长，其中根据预设的搜索步长参考值ΔT_r0，将搜索步长ΔT_r初始化为ΔT_r0/m，其中m被赋值为2～4，然后启动搜索；

(c2)在搜素过程中，实时判断连续两次所计算出的无功功率偏差Q_err是否更接近于0：若是，则转步骤(c3)；若否，则转步骤(c4)：

(c3)将搜索步长赋值为ΔT_r＝ΔT_r+ΔT_r0/n，其中n被赋值为4～8，继续执行搜索，然后转至步骤(d)；

(c4)将搜索步长赋值为ΔT_r＝-ΔT_r0/m，继续执行反向搜索，然后转至步骤(d)；

(d)利用步骤(c)所确定的搜索步长来计算和实时调整转子电气时间常数观测值由此实现感应电机转子的磁场相位在线校正过程。

2.如权利要求1所述的感应电机转子磁场相位在线校正方法，其特征在于，所述m等于2，且n等于8。

3.如权利要求1或2所述的感应电机转子磁场相位在线校正方法，其特征在于，所述预设的搜索步长参考值ΔT_r0被设定为转子电气时间常数初始辨识值的10％。