CN106788080B - 一种基于转速自适应率补偿法的单电流无速度传感器矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于转速自适应率补偿法的单电流无速度传感器矢量控制方法，本发明涉及基于转速自适应率补偿法的单电流无速度传感器矢量控制方法。本发明步骤为：一：在两相静止参考坐标系下，选择异步电机定子和转子磁链作为状态变量，得到异步电机状态方程；二：设置转子的电角速度的初始值为0，得到全阶状态观测器；三：根据得到的全阶状态观测器，得到β轴定子电流观测值四：根据得到的β轴定子电流观测值得到补偿后的β轴定子电流i_sβ；五：得到更新后的转子的电角速度判断是否满足条件，若满足则结束，若不满足将代入步骤二，直至满足条件。本发明应用于起重机和航天领域。

Description

一种基于转速自适应率补偿法的单电流无速度传感器矢量控 制方法

技术领域

本发明涉及基于转速自适应率补偿法的单电流无速度传感器矢量控制方法。

背景技术

由于外界环境的影响，潮湿、腐蚀、高低温以及灰尘可能会导致变频器发生故障而使变频调速系统崩溃。常见的多为传感器故障导致的无法获取反馈信息使系统不能形成闭环，电流传感器、速度传感器是易发生故障的环节。控制系统内部设定了很多保护，如过流、直流母线过压以及温度过高等等，一般采取停车作为保护措施，但在有些应用场合中，如电梯驱动器、飞机的电驱系统、采矿所用电刹车制动器以及起重机的挂钩驱动器等，故障时不允许停车。因此，要使用额外的控制策略来维持电机在无速度传感器、电流传感器故障(如仅有一个健康的电流传感器)的情况下继续稳定运行，且系统性能不受很大影响，这也正是容错控制的意义。

在感应电机矢量控制方法中，基于转子磁场定向的矢量控制方法是最为常见的控制方法，其控制框图如图1所示。控制系统采用双闭环的控制方式，含有速度外环和电流内环。无速度传感器模式即用估计的转速代替速度传感器的采样值。所需转速与定子电流信息由速度传感器和两个电流传感器采样得到。电流传感器成本高，且感应电机三相电流具有i_a+i_b+i_c＝0的关系，所以大多数变频控制系统采用两个电流传感器。如果两个电流传感器之一发生故障，在仅剩一相电流传感器正常工作的情况下，传统方法将无法重构出三相电流，实现矢量控制。目前国内外对于这一领域的研究很少，国外文献者曾提出一种方法，但其动态性能较差，较难应用于工程领域。

由于双闭环的作用，使得该矢量控制系统具有很好的动态性能和转速调节能力。但是，电流传感器的故障无疑会造成整个系统的崩溃，后果不堪设想。因此，如何在一个电流传感器的情况下，保证系统的正常运行，便成为了重点。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中三相电流不平衡和加载时转速过度跌落的问题，而提出的一种基于转速自适应率补偿法的单电流无速度传感器矢量控制方法。

一种基于转速自适应率补偿法的单电流无速度传感器矢量控制方法按照以下步骤实现：

本发明控制原理图如图2，其整体结构与两个电流传感器矢量控制结构基本是相同的，因此这种结构模式作为两个电流传感器故障后的容错控制模式。系统的反馈量只有一相电流i_a，由全阶观测器观测出电机转速值和β相电流值估计的电流值经过电流补偿器补偿后进行坐标变换。系统采用双闭环控制，内环为电流环，外环为转速环，转速环的计算周期是电流环的十倍。基于转速自适应律的补偿法是根据转速计算周期大于电流计算周期，利用转速的估计公式反推电流的误差公式，将其作为补偿值，解决三相电流不均衡的问题。

步骤一：在两相静止参考坐标系下，选择异步电机定子和转子磁链作为状态变量，得到异步电机状态方程；

步骤二：根据步骤一得到的异步电机状态方程，得到全阶状态观测器；

步骤三：根据步骤二得到的全阶状态观测器，得到β轴定子电流观测值

步骤四：根据步骤三得到的β轴定子电流观测值得到补偿后的β轴定子电流i_sβ；

步骤五：根据步骤四得到的补偿后的β轴定子电流i_sβ，得到更新后的转子的电角速度将得到的更新后的转子的电角速度代入步骤二，完成单电流无速度传感器的矢量控制，结束条件为外部给出指令的停止或内部保护给出的转子停止转动的指令。

发明效果：

本发明使用改进的全阶状态观测器估算的定子电流替代缺失的相电流信号完成闭环控制。并且通过基于转速自适应律的方法进行电流补偿，改善三相电流不平衡和加载时转速过度跌落的问题。并在全转速范围内可以加满载、卸满载，保持较好的控制刚度。本发明名进行电流补偿会使转速跌落减少约90％。三相不平衡，未采用补偿时约为25％，采用补偿后约为2％。

本发明提出一种只需一个电流传感器的矢量控制系统，使变频调速系统稳定运行，大大减少了传感器的数量。并且可应用于电流传感器故障时的容错控制，提高变频器系统的可靠性。

附图说明

图1为基于转子磁场定向的矢量控制系统框图；图中i_d，i_q分别PARK变换后两相旋转坐标系下的d、q轴电流分量；为给d轴电流定值，为ω_r误差量经PI环节后的q轴电流分量，θ为磁链角，为给定的转子电角速度，T_r＝L_r/R_r为转子侧时间常数， 分别为i_d，i_q误差量经过PI环节后得到的两相旋转坐标系下的定子电压值，分别为经过PARK逆变换后的的两相静止坐标系下的定子电压值，SVPWM为空间矢量脉宽调制，S_abc为SVPWM模块输出的开关指令，V_dc为直流母线电压。

图2为单电流传无速度感器矢量控制系统框图；

图3为全阶状态观测器的系统结构框图；

图4为20Hz不加电流补偿的电流加满载波形图；

图5为20Hz加电流补偿的电流加满载波形图；

图6为20Hz不采用电流补偿的电流转速波形图(加、减满载)；

图7为20Hz采用电流补偿的电流转速波形图(加、减满载)；

图8为20Hz采用电流补偿的电流转速波形放大图(加满载)；

图9为三相静止坐标系下交流绕组图；

图10为两相静止坐标系下等效交流绕组图。

具体实施方式

具体实施方式一：一种基于转速自适应率补偿法的单电流无速度传感器矢量控制方法包括以下步骤：

本发明利用全阶观测器的观测电流加上基于转速自适应率的补偿值，代替电流传感器的采样值，转速也由全阶观测器估计出，保持了系统的稳定性。

步骤一：在两相静止参考坐标系下，选择异步电机定子和转子磁链作为状态变量，得到异步电机状态方程；所述两相静止参考坐标系是由三相静止ABC坐标系经过CLARK变换得到的；三相静止ABC坐标系的A轴、B轴和C轴分别对应交流电机三相对称的静止绕组，A轴、B轴、C轴之间相差120°，A轴与两相静止参考坐标系中的α轴重合，两相静止参考坐标系中的β轴与α轴垂直；不同坐标系下等效交流绕组如图9和如图10所示。

步骤二：根据步骤一得到的异步电机状态方程，得到相应的全阶状态观测器；

步骤三：根据步骤二得到的全阶状态观测器，得到β轴定子电流观测值

步骤四：根据步骤三得到的β轴定子电流观测值得到补偿后的β轴定子电流i_sβ；

步骤五：根据步骤四得到的补偿后的β轴定子电流i_sβ，得到更新后的转子的电角速度将得到的更新后的转子的电角速度代入步骤二，完成单电流无速度传感器的矢量控制(实现容错控制)，结束条件为外部给出指令(如人为设置的工作时长)的停止或内部保护(如电机过载或电机过热)给出的转子停止转动。

在一些极端场合中，如起重机和航天领域等，需要高可靠性和容错能力，因此单电流无速度传感器就有其重要的意义。本发明方法电机转速由全阶观测器估计出，其中一相电流由全阶观测器的观测电流加上基于转速自适应率的补偿值估计出。基于转速自适应律的补偿法是根据转速计算周期大于电流计算周期，利用转速的估计公式反推电流的误差公式，将其作为补偿值，解决三相电流不均衡和加载转速跌落的问题。本发明可以作为容错控制策略，保持原系统的动态稳态性能，提高系统的可靠性。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中在两相静止参考坐标系下，选择异步电机定子和转子磁链作为状态变量，得到异步电机状态方程具体为：

公式中ψ_s＝[ψ_sα ψ_sβ]^T,ψ_r＝[ψ_rα ψ_rβ]^T,u_s＝[u_sα u_sβ]^T,i_s＝[i_sα i_sβ]^T，分别为定子磁链、转子磁链、定子电压和定子电流矢量；ψ_sα和ψ_sβ分别为定子磁链在α轴和β轴的分量，ψ_rα和ψ_rβ分别为转子磁链在α轴和β轴的分量，u_sα和u_sβ分别为定子电压在α轴和β轴的分量，i_sα和i_sβ分别为定子电流在α轴和β轴的分量；A₁₁＝-a₁₁I，A₁₂＝a₁₂I，A₂₁＝a₂₁I，A₂₂＝-a₂₂I+ω_rJ，C₁＝c₁₁I，C₂＝-c₁₂I； R_s为定子侧电阻，L_s为定子侧电感，L_m为互感，L_r为转子侧电感；

其中令C＝[C₁ C₂]。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中根据步骤一得到的异步电机状态方程，得到全阶状态观测器的具体过程为：

的具体过程为：

根据式(1)和(2)，得到全阶状态观测器：

其中：

为观测器状态矩阵，其为电角速度的函数(设置转子的电角速度的初始值为0，将步骤五中每一次得到的更新后的转子的电角速度代入步骤二中替代观测器状态矩阵中的)；上标“^”表示观测值；H为误差反馈矩阵；假设矩阵中电机参数和转子转速是缓慢变化的，即在每个周期内矩阵不变。

状态观测器的原理图如图3所示。本发明不对误差反馈矩阵进行研究，在此H矩阵取为0。图中e为实际电流和估计电流的差值，对e进行比例积分可以得出估计转速估计的转速又作为的参数进行运算。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中根据步骤二得到的全阶状态观测器，得到β轴定子电流观测值的具体过程为：

假设只有a相电流传感器正常工作，即i_a已知；

根据公式(5)得到i_sα＝i_a；由于i_b相电流未知，所以无法通过Clark变换得到i′_sβ，因此，在观测器方程中，i_sα用测得的真实值表示，而i′_sβ用观测值代替；(i_s'_β的观测值)β轴定子电流观测值通过公式(3)和公式(4)得到。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤四中根据步骤三得到的β轴定子电流观测值得到补偿后的β轴定子电流i_sβ的具体过程为：

基于全阶观测器的无速度传感器矢量控制中，转速的估计方程为

因只有a相电流传感器正常，即i_a可得，将i_a电流定位在α-β坐标系的α轴上，根据公式(5)，可得i_sα＝i_a，图3中为观测器的估计电流，其中包含和这样，根据i_sα和就可以得到α轴电流误差引入到公式(6)中，进行转速估计。由于无法得到β相电流i_sβ，所以无法将β轴电流误差引入观测器，导致转速估计不准确问题。

β轴电流的真实值为估计值和误差值之和，如果忽略误差值而认为估计值等于真实值时，会使β相电流误差较大，从而在后续的坐标变换中引起三项电流不平衡。再者，转速的估计也需要电流的误差，如果忽略其中的一项误差，会使转速估计不准确，加载时转速跌落。因此单电流传感器模式下的关键点就是估计出另一项的电流误差。

当系统处于稳态时，误差项方程

因此可以导出β的误差方程

于是，β相电流i_sβ可以得到，为观测器观测到的及公式(8)所示误差项的和。

通过这种估计及补偿的方式，可以代替电流传感器的采样值。这样，i_sα和i_sβ均已获得，可以实现电流反馈。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤五中根据步骤四得到的补偿后的β轴定子电流i_sβ，得到更新后的转子的电角速度的具体过程为：

其中所述k_p为比例增益，k_i为积分增益，s为拉普拉斯变换中的复变量。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

实施例一：

与不加补偿的方法进行对比

电流值的补偿是实现单电流无速度传感器矢量控制的关键。图4为不采用本发明的电流补偿方法，20Hz频率运行时电流波形，可以看出电流i_sα(红色)和i_sβ(蓝色)出现了明显的幅值不平衡。图5为同等条件下采用本发明方法得到的电流波形，大大改善三相电流不平衡的问题。图6为不采用本发明方法时电流与速度波形，可以看出在突加满载、突减满载时，速度波形出现了较明显的跌落和增加。图7为采用本发明的电流补偿方法时速度和电流波形，加满载转速曲线不跌落。图8为波形放大图。总之基于转速自适应率的电流补偿可大大提高系统性能。

Claims (3)

1.一种基于转速自适应率补偿法的单电流无速度传感器矢量控制方法，其特征在于：所述基于转速自适应率补偿法的单电流无速度传感器矢量控制方法包括以下步骤：

步骤一：在两相静止参考坐标系下，选择异步电机定子和转子磁链作为状态变量，得到异步电机状态方程；

步骤二：根据步骤一得到的异步电机状态方程，得到全阶状态观测器；

步骤三：根据步骤二得到的全阶状态观测器，得到β轴定子电流观测值

步骤四：根据步骤三得到的β轴定子电流观测值得到补偿后的β轴定子电流i_sβ；

步骤五：根据步骤四得到的补偿后的β轴定子电流i_sβ，得到更新后的转子的电角速度将得到的更新后的转子的电角速度代入步骤二，完成单电流无速度传感器的矢量控制，结束条件为外部给出指令的停止或内部保护给出的转子停止转动的指令；

所述步骤一中在两相静止参考坐标系下，选择异步电机定子和转子磁链作为状态变量，得到异步电机状态方程具体为：

公式中ψ_s＝[ψ_sα ψ_sβ]^T,ψ_r＝[ψ_rα ψ_rβ]^T,u_s＝[u_sα u_sβ]^T,i_s＝[i_sα i_sβ]^T，分别为定子磁链、转子磁链、定子电压和定子电流矢量；ψ_sα和ψ_sβ分别为定子磁链在α轴和β轴的分量，ψ_rα和ψ_rβ分别为转子磁链在α轴和β轴的分量，u_sα和u_sβ分别为定子电压在α轴和β轴的分量，i_sα和i_sβ分别为定子电流在α轴和β轴的分量；A₁₁＝-a₁₁I，A₁₂＝a₁₂I，A₂₁＝a₂₁I，A₂₂＝-a₂₂I+ω_rJ，C₁＝c₁₁I，C₂＝-c₁₂I； R_s为定子侧电阻，L_s为定子侧电感，L_m为互感，L_r为转子侧电感；

其中令C＝[C₁ C₂]；

所述步骤二中根据步骤一得到的异步电机状态方程，得到全阶状态观测器的具体过程为：

根据式(1)和(2)，得到全阶状态观测器：

其中：

为观测器状态矩阵；H为误差反馈矩阵；

所述步骤三中根据步骤二得到的全阶状态观测器，得到β轴定子电流观测值的具体过程为：

假设只有a相电流传感器正常工作，即i_a已知；

根据公式(5)得到i_sα＝i_a；在观测器方程中，i_sα用测得的真实值表示，而i'_sβ用观测值代替；β轴定子电流观测值通过公式(3)和公式(4)得到。

2.根据权利要求1所述的一种基于转速自适应率补偿法的单电流无速度传感器矢量控制方法，其特征在于：所述步骤四中根据步骤三得到的β轴定子电流观测值得到补偿后的β轴定子电流i_sβ的具体过程为：

3.根据权利要求2所述的一种基于转速自适应率补偿法的单电流无速度传感器矢量控制方法，其特征在于：所述步骤五中根据步骤四得到的补偿后的β轴定子电流i_sβ，得到更新后的转子的电角速度的具体过程为：

其中所述k_p为比例增益，k_i为积分增益，s为拉普拉斯变换中的复变量。