CN104506108B - 基于伏秒测量和全阶磁链观测器的异步电机转速估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于伏秒测量和全阶磁链观测器的异步电机转速估算方法，属于交流电机无速度传感器控制领域。全阶磁链观测器依赖于电机可测得的参数作为电机模型的输入，在采用变频器驱动时，电机电压不是连续的正弦波形，数字控制系统不能直接进行采样，现有技术一般都是采用参考电压并结合半导体开关器件的压降等间接进行估算，不可避免会导致得到的电机电压产生误差，从而影响全阶磁链观测器转速估算的精度。本发明采用一种伏秒检测电路直接检测电机伏秒，并将全阶磁链观测器的内部结构进行改造，解决了传统的全阶磁链观测器中难以得到精确电机电压的问题，提高了转速估算的精度。

Description

基于伏秒测量和全阶磁链观测器的异步电机转速估算方法

技术领域

本发明涉及一种异步电机转速估算方法，尤其是一种基于全阶磁链观测器的异步电机转速估算技术，属于异步电机无速度传感器控制领域。。

背景技术

异步电机的高性能控制系统中，为了提高调速性能，一般均采用转速闭环控制，即需要得到电机的实际转速作为控制系统的反馈输入。根据是否需要安装实际的转速传感器可以把交流电机调速系统分为有速度传感器控制系统和无速度传感器控制系统两大类。前者通过在旋转轴上安装转速传感器得到电机的实际转速，但是高精度的转速传感器不仅价格高昂，还容易成为系统的故障源，此外，在某些应用场合，也不便于安装转速传感器。而无速度传感器控制系统通过采样电机的电压电流，根据电机模型间接估算电机转速，避免了安装转速传感器带来的弊端和局限性，对于提高交流调速系统的可靠性和稳定性，进一步扩大其应用范围具有重要意义。

异步电机无速度传感器控制系统中对于电机实际转速的估算有多种方法，其中基于全阶磁链观测器的转速估算方法以电机本身作为参考模型，避免了由于电机参数的误差或变化造成参考模型不准确的问题，可以提高控制系统在全调速范围内的控制性能。然而全阶磁链观测器仍然依赖于电机可测得的参数作为电机模型的输入，现有的全阶磁链观测器技术均以电机的电压和电流作为电机模型的输入参数，因此，电机电压和电流的准确获得是保证全阶磁链观测器性能的前提条件。如今，高性能电机控制系统均采用数字控制系统，需要将模拟量转换为数字量进行控制，电机采用变频器驱动时，其电流仍然是连续的正弦波形，而电压则是断续的脉冲或阶梯状波形，数字控制系统对于这种断续的脉冲或阶梯状电压波形不能直接进行采样。已知文献中对于获得电机电压的方法一般都是根据参考电压并结合半导体开关器件的压降等进行间接估算，然而，半导体器件的压降与电流、温度等其他因素有关，且是非线性的，这种间接估算方法必然会带来电压估算的不准确，最终会影响全阶磁链观测器的转速估算性能。也有一些公司的产品中使用了专用的电压传感器进行电机电压检测，但是会带来成本高昂、电路复杂的缺点，同时增加的传感器要求精度高，增加了系统的故障率，把无速度传感器控制系统不需要转速传感器减少了故障来源的优点又打了折扣。

现有的基于全阶磁链观测器的转速估算技术，重点是研究全阶磁链观测器中增益矩阵和自适应律的设计技术，从稳定性、收敛性等控制系统理论方面进行研究，对于全阶磁链观测器中如何使用简单实用的方法有效避免由于电机电压的不准确而影响全阶磁链观测器性能的技术未见相关报道。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种基于电机伏秒检测和全阶磁链观测器的异步电机转速估算方法，采用一种伏秒检测电路直接检测电机伏秒，并将全阶磁链观测器的内部结构进行改造，可以避免传统的全阶磁链观测器中由于电机电压不准确影响其性能的弊端，且本发明实现方法简单，不需要增加额外的电压传感器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于电机伏秒检测和全阶磁链观测器的异步电机转速估算方法，其特征在于，用电机伏秒代替电机电压，并对传统的全阶磁链观测器结构进行改造，将积分环节修改为传递函数F(s)，并在反馈矩阵和G的输出端增加了传递函数H(s)。

特别地，所述电机伏秒的检测电路采用一个典型的一阶低通滤波器，其截止频率定义为ω₀，增益定义为k₁。

特别地，所述的全阶磁链观测器在传统的全阶磁链观测器的基础上进行了改造，将积分环节改为了传递函数F(s)，其中k＝k₁ω₀。在反馈矩阵和G的输出端增加了传递函数H(s)，其表达式为：

特别地，所述的伏秒检测电路的截止频率ω₀不能大于电机定子的额定频率。

所述全阶磁链观测器的自适应律采用PI调节器，所述PI调节器的输出为转速估算值将代入反馈矩阵得到更新后的反馈矩阵该PI调节器运行稳定收敛后，转速估算值与实际转速ω_r相等，完成转速估算。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用基于伏秒测量和全阶磁链观测器的方法估算异步电机转速，以实际电机作为参考模型，可以避免由于参考模型参数不准确导致的转速估算出现误差的弊端。

(2)本发明对全阶磁链观测器的内部结构进行了改造，将传统的全阶磁链观测器中的电机电压改为了电机伏秒，可以避免由于电机电压不准确造成全阶磁链观测器性能下降的缺点。

(3)本发明采用的伏秒检测电路简单实用，不需要增加专门的电压传感器。

附图说明

图1为现有的基于全阶磁链观测器的异步电机转速估算方法的一种实施方式示意图。

图2为本发明中涉及的伏秒检测电路的示意图。

图3为本发明专利采用的基于伏秒检测和全阶磁链观测器的异步电机转速估算方法示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

根据附图1，是现有的基于全阶磁链观测器的异步电机转速估算方法的一种实施方式。在静止坐标系下，以定子电流和转子磁链为状态变量，电机方程可以写成如下形式：

(公式1)，

y＝i_s＝CX (公式2)，

其中，

X＝[i_sβ i_sα ψ_rβ ψ_ra]^T (公式3)，

V_s＝[v_sβ v_sα 0 0]^T (公式4)，

(公式5)，

(公式6)，

(公式7)，

其中，i_s＝[i_sβ i_sα]，

i_sβ表示静止坐标系下定子β轴电流分量，

i_sα表示静止坐标系下定子α轴电流分量，

ψ_rβ表示静止坐标系下转子β轴磁链分量，

ψ_rα表示静止坐标系下转子α轴磁链分量，

v_sβ表示静止坐标系下定子β轴电压分量，

v_sα表示静止坐标系下定子α轴电压分量，

L_m表示电机互感，

L_r表示电机转子电感，

L_s表示电机定子电感，

σ表示电机的漏磁系数，且

ω_r表示电机转子转速。

取定子电流和转子磁链的估计值作为状态变量，状态观测器可以写为：

(公式8),

其中，G为增益矩阵，^表示估计值。

将矩阵A中的ω_r替换为待估算的转子转速即可得到待估算的反馈矩阵通过设计合适的自适应律和增益矩阵G，可以使得估算值和实际值相等，从而使得估算的转子转速与实际的转子转速ω_r相等。上述公式中包含有电机电压V_s，显而易见，电机电压的不准确将会影响转速估算的精度。

根据附图2，为本发明所述的伏秒检测电路的一种实施方式。所述伏秒检测电路是一个一阶低通滤波器，由运算放大器U1，电阻R1，R2和电容C1组成，输入为x，输出为y。则所述伏秒检测电路的传递函数为 (公式9)。

其中，ω₀为伏秒检测电路的截止频率，且 (公式10)，所述截止频率ω₀要求不大于电机定子电压的额定频率。

k₁为伏秒检测电路的增益，且 (公式11)。

根据附图3，提供本发明的全阶磁链观测器的一种实施例。电机电压经过伏秒检测电路后可以将断续的脉冲或阶梯电压波形转换成连续的伏秒变量vs_sα和vs_sβ，不需要增加额外的电压传感器。该伏秒检测电路是一个典型的一阶低通滤波器，截止频率为ω₀，增益为k₁，则有：

(公式12)。

其中，VS_s＝[vs_sβ vs_sα]，为电机的伏秒；k＝k₁ω₀。

取定子电流和转子磁链的估计值作为状态变量，状态观测器可以写为：

(公式13)，

则图3中的 (公式14)，

图3中的 (公式15)。

图3表示的状态观测器变形为：

(公式16)，

(公式17)。

根据公式16、17可以计算得到矩阵矩阵与矩阵C相乘可以得到向量向量减去实际测得的定子电流向量i_s得到电流误差向量e_i，其中，e_i＝[e_iβ e_iα]。

图3中的全阶磁链观测器的自适应律设计为一个PI调节器，所述PI调节器的输入为误差ε：所述PI调节器的输出即为转速估算值使用代入反馈矩阵得到更新后的反馈矩阵该PI调节器运行稳定收敛后，转速估算值即与实际转速ω_r相等，完成转速估算。

本发明的全阶磁链观测器使用电机伏秒代替了电机电压，避免了电机电压不准确造成的观测器性能下降的弊端，所述电机伏秒可以使用伏秒检测电路直接检测并转换为数字量，简单实用，不需要增加额外的传感器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，用于对本发明方案作详细解释，而并非是对本发明的限制，凡是根据本发明技术方案作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内，本发明的保护范围以本案权利要求书的描述为准。

Claims (2)

1. 一种基于电机伏秒检测和全阶磁链观测器的异步电机转速估算方法，其特征在于：用电机伏秒代替电机电压，并对传统的全阶磁链观测器结构进行了改造，将电机方程的积分环节修改为传递函数F(s)，并在反馈矩阵和增益矩阵G的输出端增加了传递函数H(s)，所述的传递函数F(s)的表达式为，所述的传递函数H(s)的表达式为：，两传递函数表达式中，其中s为微分算子，为伏秒检测电路的截止频率；为伏秒检测电路的增益，所述伏秒检测电路为电机伏秒的检测用的一个典型的一阶低通滤波器，其截止频率定义为，增益定义为，截止频率不能大于电机定子的额定频率。

2.根据权利要求1 所述的基于电机伏秒检测和全阶磁链观测器的异步电机转速估算方法，其特征在于：所述全阶磁链观测器的自适应律设计为一个PI调节器，所述PI调节器的输出为转速估算值，将代入反馈矩阵，得到更新后的反馈矩阵，该PI调节器运行稳定收敛后，转速估算值与实际转速相等，完成转速估算。