CN105915147B - 一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统及方法，该方法包括：1)在静止坐标系下获取鼠笼式感应电机的定子α轴和β轴的电压方程；2)将定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β轴的磁链作为状态变量，得到状态方程；3)获取当前时刻的定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β轴的磁链；4)获得预测控制方程，预测出下一时刻的定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β轴的磁链；5)获得下一时刻定子α轴和β轴的电压；6)将下一时刻定子α轴和β轴的电压发送到SVPWM中，驱动鼠笼式感应电机工作。与现有技术相比，本发明具有数字化、抑制谐波、响应快、应用广泛等优点。

Description

一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种鼠笼式感应电机控制方法，尤其是涉及一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统及方法。

背景技术

目前，在轨道交通、船舶运输等领域，大多数对鼠笼式感应电机用的控制策略还是基于矢量控制的控制方法，而矢量控制的核心就是三环结构，即转速外环，转子磁链外环和定子电流内环，这就免不了要使用PI调节器，然而PI调节器也存在自身的一些问题，如带宽不够、容易饱和等等。而针对这些问题又提出了一些抑制的方法和手段，但是就整个控制方法上来说无疑是使系统和结构更为复杂。所以为了解决上述提出的电机控制策略问题的方法主要有两类：一类是对电机结构进行优化设计；另一类是寻求新的控制策略来替代传统控制。第一类方法，通过改变电机的结构来获得所期望的磁路特性以及交直轴电感参数的变化范围，这种途径需要使用更高级的工艺和技术，成本会增加很多。第二类方法，基于特征控制实现对电机的控制，此种方法结构简单，同时利用了现代控制理论，就控制手段上已经提升很多，也不需要增加成本。而且包含了现代控制理论的思想，相比较于传统的PI控制，可以很好的消除一些高斯白噪声等等，使整个系统的控制更为精确。

电机控制都是基于数字控制技术的，而数字控制包括采样、计算、产生占空比及其更新等环节，理想的控制模式是在当前时刻采样电机电流，计算PWM占空比信号，并且实时更新占空比信号。然而，在实际系统中，可以实现的控制模式是在上一时刻进行电机电流采样，算法占用一定的时间间隔，计算PWM占空比信号，最后在后一时刻更新占空比信号。在采样周期的开始时刻进行电流采样的优点是，有更多的时间来计算控制算法，且所得到的电流值近似于电机的平均电流值。然而，逆变器还需要另一个采样周期把占空比信号转换为电机侧的电压，这样就使得数字控制中实际延时为两个周期。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种数字化、抑制谐波、响应快、应用广泛的基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统，用以实现对鼠笼式感应电机的快速控制，该系统包括：

电压源型逆变器：与鼠笼式感应电机连接，用以向鼠笼式感应电机提供驱动电压；

坐标变换模块：用以将鼠笼式感应电机的三相定子电流进行三相/两相坐标变换；

位置传感器：用以获取鼠笼式感应电机的电角度，并通过电角度计算模块将电角度转换为转速；

SVPWM：用以生成电压源型逆变器的门极驱动信号并发送给电压源型逆变器；

ASR：与电角度计算模块和给定值计算模块连接，用于产生给定转矩；

给定值计算模块：分别与ASR和电角度计算模块连接，用以计算定子d轴和q轴的给定电流；

滑模变结构观测器：与坐标变换模块连接，用以生成当前时刻定子电流分量、电压分量以及定子磁链；

预测控制模块：与滑模变结构观测器连接，用以产生下一时刻的预测定子电流分量；

特征控制模块：分别与给定值计算模块、预测控制模块、位置传感器和SVPWM连接，用以产生下一时刻的预测定子电压分量并发送给SVPWM；

单位延时模块：分别与特征控制模块、预测控制模块、滑模变结构观测器和SVPWM连接，用以产生延迟后的定子电压分量；

磁链给定计算模块：与电角度计算模块和给定值计算模块连接，用于产生给定磁链。

一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制方法，包括以下步骤：

1)在静止坐标系下获取鼠笼式感应电机的定子α轴和β轴的电压方程；

2)根据定子α轴和β轴的电压方程，将定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β轴的磁链作为状态变量，得到状态方程；

3)构建滑模变结构观测器，获取当前时刻的定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β轴的磁链；

4)将状态方程进行离散化处理，获得预测控制方程，并根据当前时刻的定子α轴和β轴的电流和电压以及转子α轴和β轴的磁链预测出下一时刻的定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β轴的磁链；

5)根据预测出的下一时刻的定子α轴和β轴的电流以及给定的定子d轴和q轴的电流采用特征控制方程获得下一时刻定子α轴和β轴的电压；

6)将下一时刻定子α轴和β轴的电压发送到SVPWM中，产生六路PWM信号，作为逆变器三个桥臂的IGBT的门极驱动信号，产生三相交流电压驱动鼠笼式感应电机工作。

所述的步骤2)中的状态方程为：

X′＝AX+Bu_s

X＝[i_sα+ji_sβ ψ_rα+jψ_rβ]^T

u_s＝u_sα+ju_sβ

其中，X为状态变量，u_s为输入变量，j为虚数单位，A、B为系数矩阵，i_sα、i_sβ分别为实测出来的定子α轴和β轴的电流，ψ_rα、ψ_rβ分别为实际转子α轴和β轴的磁链幅值，u_sα、u_sβ分别为定子α轴和β轴的电压。

所述的步骤3)中，滑模变结构观测器的方程为：

其中，u_sα、u_sβ分别为定子α轴和β轴的电压，i_sα、i_sβ分别为实测出来的定子α轴和β轴的电流，i′_sα、i′_sβ分别为观测器估计的定子α轴和β轴的电流，ψ′_rα、ψ′_rβ分别为观测器估计的转子α轴和β轴的磁链幅值，M、N为滑模增益，ω为转子转速，R_s为定子电阻，L_s为定子电感，L_r为转子的电感，L_m为定子转子之间的互感，R_r为转子电阻，α、β、λ、σ、R_sr分别为电感分散系数、转子时间常数的倒数、定子等效漏电感、等效定子电阻、等效定子阻抗。

所述的步骤4)中，预测控制方程为：

X(t_n)＝Pe^ΛTP^-1X(t_n-T)+PΛ^-1(e^ΛT-I)P^-1Bu_s(t_n-T)，即：

其中，Λ为A的特征矩阵，λ₁、λ₂为A的特征值，I为单位阵，T为采样时间，t_n为下一时刻，t_n-T为当前时刻，P＝[p₁ p₂]，且p₁、p₂为特征向量，ξ、ξ₀、ξ₁、ξ₂均为中间变量。

所述的步骤5)中，特征控制方程为：

其中，ρ₀为t_n时刻的电角度，i_d0和i_q0分别为t_n时刻的定子d轴和q轴电流值，即为t_n时刻转子磁链的幅值，ψ_rα(t_n)、ψ_rα(t_n)为t_n时刻转子α轴和β轴的磁链幅值，ψ_rd为t_n-T时刻转子磁链的幅值，i_dc、i_qc为给定的定子d轴和q轴的电流。

所述的步骤5)中，给定的定子d轴和q轴的电流i_dc和i_qc由给定转矩T_ec和给定转子磁链ψ_rc计算得到，计算式为：

当给定转矩T_ec和给定转子磁链ψ_rc都小于最大的转矩T_emax和最大转子磁链ψ_max时，有：

当i_dc和i_qc处于电压极限圆内部且处于电流极限圆内部时，则有：

当i_dc和i_qc处于电压极限圆内部且处于电流极限圆上或外部时，则有：

当i_dc和i_qc处于电压极限圆上或外部且处于电流极限圆内部时，则有：

当i_dc和i_qc处于电压极限圆上或外部且处于电流极限圆上或外部时，则有：

其中，Rxia、Ixia、η、k_c、i_lim均为中间变量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过使用特征控制的方法使鼠笼式感应电机的控制系统更加趋于数字化，更便于实验验证结果的正确性。

2、本发明补偿了数字控制的延时，抑制了转矩谐波，同时增加观测器环节和预测控制环节让整个系统的结构更紧凑，更符合对电机的精确控制。

3、本发明中的控制系统没有使用传统的三环(即角速度环，转子磁链环以及电流环)控制系统，只是采用了前面两环加上特征控制共同构成整个系统，少了一组电流环的PI调节器，不仅使得电流响应速度变快，同时也避免了PI调节器固有的饱和以及参数调节困难等问题。

4、本发明不仅对每一步电机方程进行细化，同时也考虑了很多技术上的约束和限制，如死区时间的补偿等等，所以可以显著减少超调和滞后的问题。本发明的控制方法可以推广至所有的交流电机类型中，尤其以轨道交通、船舶运输等系统应用更广泛。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图。

其中，1、给定值计算模块，2、特征控制模块，3、预测控制模块，4、滑模变结构观测器，5、坐标变换模块，6、单位延时模块，7、SVPWM，8、电压源型逆变器，9、鼠笼式感应电机，10、位置传感器，11、电角度计算模块，12、ASR，13、磁链给定计算模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明的目的在于提供一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机的控制方法，从而能够在传统的矢量控制之外基于现代控制理论来对电机进行控制，不仅可以快速提升响应速度，也可以避免传统控制中多处使用PI造成了参数调节困难等一系列的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制策略，其内容包括以下步骤：

1)对于本控制策略，需要如下一些模块：如图1所示，给定值计算模块1、特征控制模块2、预测控制模块3、滑模变结构观测器4、坐标变换模块5、单位延时模块6、SVPWM7、电压源型逆变器8、鼠笼式感应电机9、位置传感器10、电角度计算模块11、ASR12、磁链给定计算模块13；

2)电流传感器的作用是将检测出的鼠笼式感应电机中三相定子电流i_sa，i_sb，i_sc作为输入，送至坐标变换模块内，对三相电流进行三相/两相(3s/2s)坐标变换，输出是两相静止坐标系下的定子电流分量i_sα，i_sβ；

3)鼠笼式感应电机转子旋转的电角度θ输入至转速计算模块中，其目的是对电角度θ进行求导，得到转速反馈值ω；

4)将坐标变换模块输出的在t_n-T时刻的定子电流分量i_sα，i_sβ，t_n-T时刻的定子电压分量u_sα，u_sβ，以及转速反馈值ω这五个变量作为输入，送至滑模变结构观测器模块中观测出t_n-T时刻的定子电流分量i_sα，i_sβ，转子磁链分量ψ_rα，ψ_rβ的值；

5)将步骤(4)观测出t_n-T时刻的定子电流分量i_sα，i_sβ，转子磁链分量ψ_rα，ψ_rβ的值送入预测控制模块得到t_n时刻的定子电流分量i_sα，i_sβ，转子磁链分量ψ_rα，ψ_rβ的值；

6)将给定转速ω_c与转速反馈值ω作差之后经过转速调节器ASR得到给定转矩T_ec，将转速反馈值ω通过转速与磁链关系曲线后得到给定转子磁链ψ_c，将给定转矩T_ec，给定转子磁链ψ_c以及转速反馈值ω送入定子d轴，q轴电流分量i_sd，i_sq的给定值计算模块，输出的是i_sd和i_sq的给定值，记为i_dc，i_qc；

7)将步骤(5)预测出t_n时刻的定子电流分量i_sα，i_sβ，电角度θ，以及步骤(6)输出的定子d轴，q轴电流分量id，iq的给定值i_dc，i_qc作为输入，送至鼠笼式感应电机特征控制模块中，输出是t_n时刻的定子电压分量u_sα，u_sβ；

8)将步骤(7)t_n时刻的定子电压分量u_sα，u_sβ分别经过单位延迟模块，即延时一个T周期，得到t_n-T时刻的定子电压分量u_sα，u_sβ，这就是步骤(4)所需要的t_n-T时刻的定子电压分量u_sα，u_sβ；

9)将步骤(7)计算出的t_n时刻的定子电压分量u_sα，u_sβ作为输入，送至SVPWM模块中，产生六路PWM信号，以此作为逆变器三个桥臂的IGBT的门极驱动信号，来产生三相交流电压驱动鼠笼式感应电机工作；

对于本控制策略的几大核心，其具体设计方法如下：(1)滑模观测器设计方法如下：

根据在静止坐标系下鼠笼式感应电机的定子α轴，β轴的电压方程，将定子电流分量i_sα，i_sβ，转子磁链分量ψ_rα，ψ_rβ作为状态变量列出状态方程，并由此得出滑模变结构的观测器如下所示：

首先令

其中u_sα，u_sβ分别为定子α轴，β轴的电压，i_sα，i_sβ分别为实测出来的定子α轴，β轴的电流，i’_sα，i’_sβ分别为观测器估计的定子α轴，β轴的电流，ψ_rα，ψ_rβ分别为实际转子α轴，β轴的磁链，ψ’_rα，ψ’_rβ分别为观测器估计的转子α轴，β轴的磁链，R_s为定子电阻，L_s为定子的电感，R_r为转子电阻，L_r为转子的电感，L_m为定子转子之间的互感，ω为转子转速；

(2)预测方程如下：

根据鼠笼式感应电机的电压方程，将i_sα+ji_sβ，ψ_rα+jψ_rβ作为状态变量，u_sα+ju_sβ作为输入变量列写状态方程，记为

X‘＝AX+Bu_s，X＝[i_sα+ji_sβψ_rα+jψ_rβ]^T(即X为两行一列的列向量)，u_s＝u_sα+ju_sβ

对系数矩阵A求特征值及其对应的特征向量，对应的特征值为λ₁和λ₂，其对应的特征向量记为p₁和p₂，并令

对上述状态方程进行离散化处理之后，得到如下方程：

X(t_n)＝Pe^ΛTP^-1X(t_n-T)+PΛ^-1(e^ΛT-I)P^-1Bu_s(t_n-T)(I为单位阵，T为采样时间)

(3)特征控制方程

在上述离散化处理之后的方程两端同时乘以P^-1，即有

P^-1X(t_n+T)＝P^-1Pe^ΛTP^-1X(t_n)+P^-1PΛ^-1(e^ΛT-I)P^-1Bu_s(t_n)，化简之后求出u_s(t_n)，即得到如下式：

其中ρ₀为t_n时刻的电角度，i_d0，i_q0分别为t_n时刻的定子d轴，q轴电流值，j为虚数单位；

(4)通过给定转矩T_ec和给定转子磁链ψ_c计算出给定值i_dc，i_qc的值

首先令：

再令：

其中ω₁为同步转速；

电压极限圆的方程为：

当给定转矩T_ec和给定转子磁链ψ_c都小于最大的转矩T_emax和最大转子磁链ψ_max时，有：

第一阶段(当处于电压极限圆内部且也在电流极限圆内部时)：

第二阶段(当处于电压极限圆内部且也在电流极限圆上或外部时)：

第三阶段(当处于电压极限圆上或外部时且也在电流极限圆内部时)：

此时给定转矩T_ec和给定转子磁链ψ_c都不能直接使用了，需通过如下步骤求出：

首先计算出ψ_rc

通过求解如下方程得到ψ_rc：

同时将复根去掉，只留一个正实根且小于最大转子磁链ψ_max。

其次计算出给定转矩T_ec

通过求解如下方程得到T_ec：

通过求解出ψ_rc和T_ec，可以得到

第四阶段(当处于电压极限圆上或外部时且也在电流极限圆上或外部时)：

依然使用第三阶段求出的ψrc和Tec，并且有

本发明的核心算法为特征控制，逆变器输出的三相电流驱动电机的旋转，本发明的算法是在特征控制基础上，加入电流和磁链观测器以及预测控制环节，实现鼠笼式感应电机在新的控制策略上的突破。

本发明可以快速有效的使逆变器输出电流的谐波含量降低，本发明方法摆脱了电机传统矢量控制，提出了基于特征控制的电机控制策略，从而完成了电流谐波的抑制，进而完成转矩谐波的抑制，该方法可以在不修改硬件的前提下，使用了特征控制算法来对电机实现控制，在特征控制上增加了电流和磁链观测器并加入了预测控制，对工业电机的转矩谐波以及电磁噪声问题有抑制作用。

Claims (7)

1.一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统，用以实现对鼠笼式感应电机(9)的快速控制，其特征在于，该系统包括：

电压源型逆变器(8)：与鼠笼式感应电机(9)连接，用以向鼠笼式感应电机(9)提供驱动电压；

坐标变换模块(5)：用以将鼠笼式感应电机(9)的三相定子电流进行三相/两相坐标变换；

位置传感器(10)：用以获取鼠笼式感应电机(9)的电角度，并通过电角度计算模块(11)将电角度转换为转速；

SVPWM(7)：用以生成电压源型逆变器(8)的门极驱动信号并发送给电压源型逆变器(8)；

ASR(12)：与电角度计算模块(11)和给定值计算模块(1)连接，用于产生给定转矩；

给定值计算模块(1)：分别与ASR(12)和电角度计算模块(11)连接，用以计算定子d轴和q轴的给定电流；

滑模变结构观测器(4)：与坐标变换模块(5)连接，用以生成当前时刻定子电流分量、电压分量以及定子磁链；

预测控制模块(3)：与滑模变结构观测器(4)连接，用以产生下一时刻的预测定子电流分量；

特征控制模块(2)：分别与给定值计算模块(1)、预测控制模块(3)、位置传感器(10)和SVPWM(7)连接，用以产生下一时刻的预测定子电压分量并发送给SVPWM(7)；

单位延时模块(6)：分别与特征控制模块(2)、预测控制模块(3)、滑模变结构观测器(4)和SVPWM(7)连接，用以产生延迟后的定子电压分量；

磁链给定计算模块(13)：与电角度计算模块(11)和给定值计算模块(1)连接，用于产生给定磁链。

2.一种应用如权利要求1所述的基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在静止坐标系下获取鼠笼式感应电机的定子α轴和β轴的电压方程；

2)根据定子α轴和β轴的电压方程，将定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β轴的磁链作为状态变量，得到状态方程；

3)构建滑模变结构观测器，获取当前时刻的定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β轴的磁链；

4)将状态方程进行离散化处理，获得预测控制方程，并根据当前时刻的定子α轴和β轴的电流和电压以及转子α轴和β轴的磁链预测出下一时刻的定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β轴的磁链；

5)根据预测出的下一时刻的定子α轴和β轴的电流以及给定的定子d轴和q轴的电流采用特征控制方程获得下一时刻定子α轴和β轴的电压；

6)将下一时刻定子α轴和β轴的电压发送到SVPWM中，产生六路PWM信号，作为逆变器三个桥臂的IGBT的门极驱动信号，产生三相交流电压驱动鼠笼式感应电机工作。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中的状态方程为：

X′＝AX+Bu_s

X＝[i_sα+ji_sβ ψ_rα+jψ_rβ]^T

u_s＝u_sα+ju_sβ

其中，X为状态变量，u_s为输入变量，j为虚数单位，A、B为系数矩阵，i_sα、i_sβ分别为实测出来的定子α轴和β轴的电流，ψ_rα、ψ_rβ分别为实际转子α轴和β轴的磁链幅值，u_sα、u_sβ分别为定子α轴和β轴的电压。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，滑模变结构观测器的方程为：

其中，u_sα、u_sβ分别为定子α轴和β轴的电压，i_sα、i_sβ分别为实测出来的定子α轴和β轴的电流，i′_sα、i′_sβ分别为观测器估计的定子α轴和β轴的电流，ψ′_rα、ψ′_rβ分别为观测器估计的转子α轴和β轴的磁链幅值，M、N为滑模增益，ω为转子转速，R_s为定子电阻，L_s为定子电感，L_r为转子的电感，L_m为定子转子之间的互感，R_r为转子电阻，α、β、λ、σ、R_sr分别为电感分散系数、转子时间常数的倒数、定子等效漏电感、等效定子电阻、等效定子阻抗。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤4)中，预测控制方程为：

X(t_n)＝Pe^ΛTP^-1X(t_n-T)+PΛ^-1(e^ΛT-I)P^-1Bu_s(t_n-T)，即：

其中，Λ为A的特征矩阵，λ₁、λ₂为A的特征值，I为单位阵，T为采样时间，t_n为下一时刻，t_n-T为当前时刻，P＝[p₁ p₂]，且p₁、p₂为特征向量，ξ、ξ₀、ξ₁、ξ₂均为中间变量。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤5)中，特征控制方程为：

其中，ρ₀为t_n时刻的电角度，i_d0和i_q0分别为t_n时刻的定子d轴和q轴电流值，即为t_n时刻转子磁链的幅值，ψ_rα(t_n)、ψ_rα(t_n)为t_n时刻转子α轴和β轴的磁链幅值，ψ_rd为t_n-T时刻转子磁链的幅值，i_dc、i_qc为给定的定子d轴和q轴的电流。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤5)中，给定的定子d轴和q轴的电流i_dc和i_qc由给定转矩T_ec和给定转子磁链ψ_rc计算得到，计算式为：

当给定转矩T_ec和给定转子磁链ψ_rc都小于最大的转矩T_emax和最大转子磁链ψ_max时，有：

当i_dc和i_qc处于电压极限圆内部且处于电流极限圆内部时，则有：

当i_dc和i_qc处于电压极限圆内部且处于电流极限圆上或外部时，则有：

当i_dc和i_qc处于电压极限圆上或外部且处于电流极限圆内部时，则有：

当i_dc和i_qc处于电压极限圆上或外部且处于电流极限圆上或外部时，则有：

其中，Rxia、Ixia、η、k_c、i_lim均为中间变量。