CN105450128B - 一种双馈电机无速度传感器的控制器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈电机无速度传感器的控制器设计方法，包括以下步骤：针对基于转子电流的模型参考自适应观测器在励磁电感L_m饱和时的转子位置角观测误差，计算双馈电机全运行区间内转子位置角观测误差的最大变化范围；设计双馈电机无速度传感器控制算法的主控制器输出电压和辅助控制器输出电压；将主控制器输出电压和辅助控制器输出电压分别按d、q轴相加，得到同步旋转坐标系中的转子控制电压；采用空间矢量PWM调制产生驱动脉冲，用于控制双馈电机的转子侧变流器。本发明对励磁电感饱和具有很强的鲁棒性，可令双馈电机无速度传感器控制方法更加可靠，对于促进其实际工程应用具有重要意义。

Description

一种双馈电机无速度传感器的控制器设计方法

技术领域

本发明属于电力拖动领域，涉及双馈电机无速度传感器控制，特别涉及一种双馈电机无速度传感器的控制器设计方法。

背景技术

双馈电机的电磁转矩和无功功率可灵活独立调节，且用于励磁控制的变流器的容量大约只需电机额度容量的30％，成本较低，是当前变频调速和变速发电的主流机型之一。双馈电机的无速度传感器控制，可降低系统成本，提高系统可靠性，减少系统安装和维护工作，且能使系统更加适应于在恶劣环境下工作，因此一直是电力拖动领域的研究热点。

目前，双馈电机的无速度传感器控制，主要采用模型参考自适应观测器获取双馈电机的转速和转子位置角信息。其中，转速观测值用于实现转速闭环控制，转子位置角观测值则用于实现定子、转子的电压、电流和磁通等物理量的旋转坐标变换和反变换。

现有的模型参考自适应观测器，无法克服双馈电机参数误差对转子位置角观测结果的影响。以基于转子电流的模型参考自适应观测器为例，当励磁电感饱和时，其转子位置角观测值存在较大误差，会影响双馈电机无速度传感器控制的性能，在某些条件下甚至会导致系统失稳。该问题严重制约了双馈电机无速度传感器控制方法在实际工程中的应用

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种双馈电机无速度传感器的控制器设计方法。针对励磁电感饱和情况下基于转子电流的模型参考自适应观测器的转子位置角观测误差对双馈电机无速度传感器控制性能的影响，通过计算双馈电机在全运行区间内转子位置角观测误差的最大变化范围，有针对性地设计辅助控制器及其参数，保证励磁电感饱和时双馈电机无速度传感器控制方法仍能正常运行。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案实现:

一种双馈电机无速度传感器的控制器设计方法，包括以下步骤：

步骤1：针对基于转子电流的模型参考自适应观测器在励磁电感L_m饱和时的转子位置角观测误差，采用如下公式计算双馈电机全运行区间内转子位置角观测误差的最大变化范围：

其中，λ_ds为定子d轴磁链的实际值，

步骤2：先不考虑励磁电感饱和导致的转子位置角观测误差，设计双馈电机无速度传感器控制算法的主控制器输出电压如下：

其中，u_dr主控制和u_qr_主控制分别是主控制器输出的转子d轴和q轴电压，k为控制器常数，L_s和L_r分别为定子和转子电感，R_r为转子电阻，p_n为双馈电机极对数，和T_e分别为电磁转矩参考值和实际值，和Q_s分别为定子无功功率参考值和实际值，ω_e为电网同步角速度；

步骤3：针对励磁电感饱和导致的转子位置角观测误差对双馈电机无速度传感器控制算法的影响，设计辅助控制器输出电压如下：

其中，u_{dr辅助控制}和u_{qr辅助控制}分别是辅助控制器输出的转子d轴和q轴电压，sat_Te和sat_Qs为饱和函数，K_Te1、K_Te2、K_Qs1、K_Qs2为辅助控制器参数；

根据步骤1所计算出的励磁电感饱和时双馈电机全运行区间内转子位置角观测误差Δθ_r的最大变化范围，结合双馈电机全运行区间内定子磁链λ_ds、电磁转矩T_e、无功功率Q_s、转差角速度ω_slip、转子电压u_dr和u_qr的最大变化范围，按如下公式设计辅助控制器参数：

步骤4：将步骤2所设计的主控制器输出电压和步骤3所设计的辅助控制器输出电压分别按d、q轴相加，得到同步旋转坐标系中的转子控制电压如下：

步骤5：将定子磁链矢量的相位角减去步骤1所述的转子位置角观测值采用所获得的角度差将步骤4所述的u_dr和u_qr从同步旋转坐标系变换到转子坐标系，并采用空间矢量PWM调制产生驱动脉冲，用于控制双馈电机的转子侧变流器。

进一步地，在步骤1中，基于转子电流的模型参考自适应观测器的数学模型如下：

其中，L_m和L_ls分别为励磁电感和定子漏感，和分别为定子电流矢量和定子磁链矢量的实际值，和分别为转子电流矢量的实际值和观测值，i_dr和分别为转子d轴电流的实际值和观测值，i_qr和分别为转子q轴电流的实际值和观测值，和分别为转子旋转速度和位置角的观测值，k_p和k_i分别为观测器的比例系数和积分系数。

本发明的有益效果：本发明针对励磁电感饱和情况下基于转子电流的模型参考自适应观测器的转子位置角观测误差对双馈电机无速度传感器控制性能的影响，通过计算双馈电机在全运行区间内转子位置角观测误差的最大变化范围，有针对性地设计辅助控制器及其参数，克服励磁电感饱和导致的转子位置角观测误差对双馈电机无速度传感器控制性能的影响，保证励磁电感饱和时双馈电机无速度传感器控制方法仍能正常、稳定可靠地运行，使其能更好地应用于工程实践。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为励磁电感未饱和情况下采用传统无速度传感器控制器时双馈电机的运行效果；

图2为励磁电感未饱和情况下采用本发明所述的对励磁电感饱和鲁棒的无速度传感器控制器时双馈电机的运行效果；

图3为励磁电感饱和情况下采用传统无速度传感器控制器时双馈电机的运行效果；

图4为励磁电感饱和情况下采用本发明所述的对励磁电感饱和鲁棒的无速度传感器控制器时双馈电机的运行效果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一种双馈电机无速度传感器的控制器设计方法，包括以下步骤：

步骤1：基于转子电流的模型参考自适应观测器的数学模型如下：

其中，L_m和L_ls分别为励磁电感和定子漏感，和分别为定子电流矢量和定子磁链矢量的实际值，和分别为转子电流矢量的实际值和观测值，i_dr和分别为转子d轴电流的实际值和观测值，i_qr和分别为转子q轴电流的实际值和观测值，和分别为转子旋转速度和位置角的观测值，k_p和k_i分别为观测器的比例系数和积分系数；

针对所述基于转子电流的模型参考自适应观测器在励磁电感L_m饱和时的转子位置角观测误差，采用如下公式计算双馈电机全运行区间内转子位置角观测误差的最大变化范围：

其中，λ_ds为定子d轴磁链的实际值，

步骤2：先不考虑励磁电感饱和导致的转子位置角观测误差，设计双馈电机无速度传感器控制算法的主控制器输出电压如下：

其中，u_dr主控制和u_qr主控制分别是主控制器输出的转子d轴和q轴电压，k为控制器常数，L_s和L_r分别为定子和转子电感，R_r为转子电阻，p_n为双馈电机极对数，和T_e分别为电磁转矩参考值和实际值，和Q_s分别为定子无功功率参考值和实际值，ω_e为电网同步角速度；

步骤3：针对励磁电感饱和导致的转子位置角观测误差对双馈电机无速度传感器控制算法的影响，设计辅助控制器输出电压如下：

其中，u_{dr辅助控制}和u_{qr辅助控制}分别是辅助控制器输出的转子d轴和q轴电压，sat_Te和sat_Qs为饱和函数，K_Te1、K_Te2、K_Qs1、K_Qs2为辅助控制器参数；

步骤4：根据步骤1所计算出的励磁电感饱和时双馈电机全运行区间内转子位置角观测误差Δθ_r的最大变化范围，结合双馈电机全运行区间内定子磁链λ_ds、电磁转矩T_e、无功功率Q_s、转差角速度ω_slip、转子电压u_dr和u_qr的最大变化范围，按如下公式设计步骤3所述的辅助控制器参数：

步骤5：将步骤2所设计的主控制器输出电压和步骤3所设计的辅助控制器输出电压分别按d、q轴相加，得到同步旋转坐标系中的转子控制电压如下：

步骤6：将定子磁链矢量的相位角减去步骤1所述的转子位置角观测值采用所获得的角度差将步骤5所述的u_dr和u_qr从同步旋转坐标系变换到转子坐标系，并采用空间矢量PWM调制产生驱动脉冲，用于控制双馈电机的转子侧变流器。

为验证本发明所提出的一种双馈电机无速度传感器的控制器设计方法的效果，分别在励磁电感未饱和、励磁电感饱和的情况下，对传统无速度传感器控制器和本发明所提出的无速度传感器控制器进行仿真对比，结果如图1至图4所示。

图1为励磁电感未饱和情况下采用传统无速度传感器控制器时双馈电机的运行效果；图2为励磁电感未饱和情况下采用本发明所述的无速度传感器控制器时双馈电机的运行效果。可见，当励磁电感未饱和时，基于转子电流的模型参考自适应观测器所输出的转子位置角观测值与实际值的误差很小，因此两种控制器均具有良好运行效果。

图3为励磁电感饱和情况下采用传统无速度传感器控制器时双馈电机的运行效果；图4为励磁电感饱和情况下采用本发明所述的无速度传感器控制器时双馈电机的运行效果。可见，当励磁电感饱和时，基于转子电流的模型参考自适应观测器所输出的转子位置角观测值与实际值的误差在电磁转矩阶跃变化至-8Nm后明显增大。此时，采用传统无速度传感器控制器的双馈电机发生了电磁转矩振荡，无法稳定运行，而采用本发明所述的无速度传感器控制器的双馈电机仍然维持稳定运行。可见，本发明所述的双馈电机无速度传感器控制器对励磁电感饱和具有很强的鲁棒性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种双馈电机无速度传感器的控制器设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：针对基于转子电流的模型参考自适应观测器在励磁电感L_m饱和时的转子位置角观测误差，采用如下公式计算双馈电机全运行区间内转子位置角观测误差的最大变化范围：

${\mathrm{\Δ\θ}}_r={\tan }^{-1}\left(\frac{i_{qr}-{\mathrm{\ΔK}}_m{L}_{ls}{i}_{qs}}{i_{dr}-{\mathrm{\ΔK}}_m{L}_{ls}{i}_{ds}+{\mathrm{\ΔK}}_m{\mathrm{\λ}}_{ds}}\right)-{\tan }^{-1}\left(\frac{i_{qr}}{i_{dr}}\right);$

其中，λ_ds为定子d轴磁链的实际值，

所述基于转子电流的模型参考自适应观测器的数学模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\widehat{\stackrel{\→}{i}}}_r=\frac{{\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}}_s-\left(L_m+L_{ls}\right){\stackrel{\→}{i}}_s}{L_m}{e}^{-j{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r}\\ {\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=k_p\frac{i_{dr}{\hat{i}}_{qr}-{\hat{i}}_{dr}{i}_{qr}}{\left|{\hat{i}}_r\right|\left|{\widehat{\stackrel{\→}{i}}}_r\right|}+k_i\∫\frac{i_{dr}{\hat{i}}_{qr}-{\hat{i}}_{dr}{i}_{qr}}{\left|{\stackrel{\→}{i}}_r\right|\left|{\widehat{\stackrel{\→}{i}}}_r\right|}dt\\ {\widehat{\mathrm{\θ}}}_r=\∫{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{r}dt\end{array}\right.;$

其中，L_m和L_ls分别为励磁电感和定子漏感，和分别为定子电流矢量和定子磁链矢量的实际值，和分别为转子电流矢量的实际值和观测值，i_dr和分别为转子d轴电流的实际值和观测值，i_qr和分别为转子q轴电流的实际值和观测值，和分别为转子旋转速度和位置角的观测值，k_p和k_i分别为观测器的比例系数和积分系数；

步骤2：先不考虑励磁电感饱和导致的转子位置角观测误差，设计双馈电机无速度传感器控制算法的主控制器输出电压如下：

其中，u_dr主控制和u_qr主控制分别是主控制器输出的转子d轴和q轴电压，k为控制器常数，L_s和L_r分别为定子和转子电感，R_r为转子电阻，p_n为双馈电机极对数，和T_e分别为电磁转矩参考值和实际值，和Q_s分别为定子无功功率参考值和实际值，ω_e为电网同步角速度；

步骤3：针对励磁电感饱和导致的转子位置角观测误差对双馈电机无速度传感器控制算法的影响，设计辅助控制器输出电压如下：

其中，u_{dr辅助控制}和u_{qr辅助控制}分别是辅助控制器输出的转子d轴和q轴电压，sat_Te和sat_Qs为饱和函数，K_Te1、K_Te2、K_Qs1、K_Qs2为辅助控制器参数；

根据步骤1所计算出的励磁电感饱和时双馈电机全运行区间内转子位置角观测误差Δθ_r的最大变化范围，结合双馈电机全运行区间内定子磁链λ_ds、电磁转矩T_e、无功功率Q_s、转差角速度ω_slip、转子电压u_dr和u_qr的最大变化范围，按如下公式设计辅助控制器参数：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{Te1}\≥\max \left|\frac{2{\mathrm{kL}}_{\mathrm{\σ}m}}{3p_n{\mathrm{\λ}}_{ds}}\frac{{\mathrm{cos\Δ\θ}}_r-1}{{\mathrm{cos\Δ\θ}}_r}\right|\\ K_{Te2}\≥\max |\frac{{\mathrm{cos\Δ\θ}}_r-1}{{\mathrm{cos\Δ\θ}}_r}\left(\frac{2L_{\mathrm{\σ}m}}{3p_n{\mathrm{\λ}}_{ds}}\frac{{\mathrm{dT}}_e^{*}}{dt}-\frac{2R_r{L}_s{T}_e}{3p_n{\mathrm{\λ}}_{ds}{L}_m}+\frac{2L_{\mathrm{\σ}m}{\mathrm{\ω}}_{slip}{Q}_s}{3{\mathrm{\λ}}_{ds}{\mathrm{\ω}}_e}+\frac{L_r{\mathrm{\ω}}_{slip}{\mathrm{\λ}}_{ds}}{L_m}\right)-{\mathrm{tan\Δ\θ}}_r{u}_{dr}|\\ K_{Qs1}\≥\max \left|\frac{2{\mathrm{kL}}_{\mathrm{\σ}m}}{3{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\λ}}_{ds}}\frac{{\mathrm{cos\Δ\θ}}_r-1}{{\mathrm{cos\Δ\θ}}_r}\right|\\ K_{Qs2}\≥\max |\frac{{\mathrm{cos\Δ\θ}}_r-1}{{\mathrm{cos\Δ\θ}}_r}\left(\frac{2L_{\mathrm{\σ}m}}{3{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\λ}}_{ds}}\frac{{\mathrm{dQ}}_s^{*}}{dt}-\frac{2R_r{L}_s{Q}_s}{3L_m{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\λ}}_{ds}}-\frac{2L_{\mathrm{\σ}m}{\mathrm{\ω}}_{slip}{T}_e}{3p_n{\mathrm{\λ}}_{ds}}+\frac{R_r{\mathrm{\λ}}_{ds}}{L_m}\right)+{\mathrm{tan\Δ\θ}}_r{u}_{qr}|\end{array}\right.;$

步骤4：将步骤2所设计的主控制器输出电压和步骤3所设计的辅助控制器输出电压分别按d、q轴相加，得到同步旋转坐标系中的转子控制电压如下：

步骤5：将定子磁链矢量的相位角减去步骤1所述的转子位置角观测值采用所获得的角度差将步骤4所述的u_dr和u_qr从同步旋转坐标系变换到转子坐标系，并采用空间矢量PWM调制产生驱动脉冲，用于控制双馈电机的转子侧变流器。