CN107453676B - 无速度传感器电机的速度辨识方法及电机保护方法 - Google Patents

Abstract

无速度传感器电机的速度辨识方法及电机保护方法，其中，速度辨识方法包括：转子磁链分量确定步骤，获取待分析电机的电压数据和电流数据，根据电压数据和电流数据分别计算在电压模型下和电流模型下待分析电机在两相静止α‑β坐标系下的转子磁链分量；速度辨识自适应律确定步骤，根据转子磁链分量计算待分析电机的速度辨识自适应律；辨识速度确定步骤，根据速度辨识自适应律计算待分析电机的转子电角速度。该方法实现过程简单，其速度辨识自适应律的计算过程能够降低低速制动工况下速度辨识发散的问题，从而使得最终得到的电机的转子电角速度更加准确。

Description

无速度传感器电机的速度辨识方法及电机保护方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体地说，涉及无速度传感器电机的速度辨识方法及电机保护方法。

背景技术

在城市轨道交通牵引传动领域，交流传动已逐步取代直流传动成为应用主流。目前成熟且最为广泛应用的模式为电压型交直交逆变器驱动异步电动机的控制方式，在控制策略上一般采用矢量控制或直接转矩控制算法，一般需安装速度传感器以实时反馈当前转子信息。

然而，轨道交通用速度传感器齿数较少，限制了牵引系统在低速区的控制精度。尽管轨道交通牵引用速度传感器针对恶劣环境下工作进行了特殊设计，但由于速度传感器与牵引电机合为一体，导致其工作环境温升超过100℃，并且由于路轨的平整度以及车辆运行中的机械振动使其承受很大的机械应力，故障率相对较高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种无速度传感器电机的速度辨识方法，所述方法包括：

转子磁链分量确定步骤，获取待分析电机的电压数据和电流数据，根据所述电压数据和电流数据分别计算在电压模型下和电流模型下所述待分析电机在两相静止α-β坐标系下的转子磁链分量；

速度辨识自适应律确定步骤，根据所述转子磁链分量计算所述待分析电机的速度辨识自适应律；

辨识速度确定步骤，根据所述速度辨识自适应律计算所述待分析电机的转子电角速度。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式计算所述转子电角速度：

ω＝K_pΔω+K_i∫Δωdt

其中，ω表示转子电角速度，K_p和K_i分别表示PI调节的比例调节参数和积分调节参数，Δω表示速度辨识自适应律，t表示时间。

根据本发明的一个实施例，速度辨识自适应律确定步骤包括：

根据所述转子磁链分量分别计算在电压模型下和电流模型下所述待分析电机的磁通量；

根据所述待分析电机的磁通量和计算所述待分析电机的速度辨识自适应律。

根据本发明的一个实施例，

根据如下表达式计算在电压模型下所述待分析电机的磁通量：

根据如下表达式计算在电流模型下所述待分析电机的磁通量：

ψ_r＝ψ_rα+jψ_rβ

其中，

和ψ_r分别表示电压模型和电流模型下待分析电机的转子磁通量，ψ_rα和ψ_rβ分别表示电流模型下待分析电机在两相静止α-β坐标系下的转子磁链分量，

和

分别表示电压模型下待分析电机在两相静止α-β坐标系下的转子磁链分量。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式计算所述速度辨识自适应律：

其中，Δω表示速度辨识自适应律，

和ψ_r分别表示电压模型和电流模型下待分析电机的转子磁通量，k表示预设调节参数。

根据本发明的一个实施例，转子磁链观测器的电压模型表示为：

其中，

和

分别表示电压模型下在两相静止α-β坐标系下转子磁链分量，L_r表示转子电感，L_m表示互感，u_sα和u_sβ分别表示两相静止α-β坐标系下定子电压分量，R_s表示定子电阻，L_s表示定子电感，p表示微分算子，i_sα和i_sβ分别表示在两相静止α-β坐标系下定子电流分量，t表示时间。

根据本发明的一个实施例，所述转子磁链观测器的电流模型表示为：

其中，ψ_rα和ψ_rβ分别表示电流模型下在两相静止α-β坐标系下转子磁链分量，L_m表示互感，T_r表示时间常数，i_sα和i_sβ分别表示在两相静止α-β坐标系下定子电流分量，ω表示转子电角速度。

本发明还提供了一种电机保护方法，所述方法包括：

辨识速度确定步骤，利用如上任一项所述的方法确定待分析电机的转子电角速度，并根据所述转子电角速度确定机车的估计速度；

电机保护步骤，根据所述估计速度确定所述待分析电机的的状态，其中，当所述待分析电机出现速度辨识错误或速度辨识发散状况时，封锁电机逆变器，以实现对所述待分析电机的保护。

根据本发明的一个实施例，在所述电机保护步骤中，

利用传感器获取所述待分析电机的实际运行速度，得到参考速度；

计算所述估计速度与参考速度的偏差，并判断该偏差是否大于预设偏差阈值，如果大于，则判定所述待分析电机出现速度辨识错误状况。

根据本发明的一个实施例，在所述电机保护步骤中，

根据所述辨识速度计算对应加速度；

判断所述加速度是否大于预设加速度阈值，如果大于，则判定所述待分析电机出现速度辨识发散状况。

本发明所提供的无速度传感器电机的速度辨识方法在确定电机的转子电角速度的过程中，并不需要使用相关的速度传感器或角速度传感器，该方法通过检测电机的电压数据和电流数据来确定其转子电角速度。同时，该方法实现过程简单，其速度辨识自适应律的计算过程能够降低低速制动工况下速度辨识发散的问题，从而使得最终得到的电机的转子电角速度更加准确。

本发明所提供的电机保护方法是基于所确定出的电机的转子电角速度来进行电机保护，该方法能够有效确定出电机是否出现速度辨识错误或湿度辨识发散状况，进而实现对电机进行准确、有效地保护。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的异步电机T型等效电路图；

图2是根据本发明一个实施例的无速度传感器的速度辨识方法的流程图；

图3是根据本发明一个实施例的电机保护方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

目前常用的速度辨识方法主要包括基于模型参考自适应法和全阶状态观测器法等。其中，全阶状态观测器法实现复杂，数据计算量大，并且系统的稳定性、快速跟随性等性能极易受反馈增益系数的影响。模型参考自适应法根据电机的电压模型和电流模型进行速度的观测，其物理意义明确、实现简单，但该方法存在低速大转矩制动工况下的稳定性问题。

现有速度辨识方法中有部分方法采用全阶状态观测器对电机转子磁链进行观测，其根据观测器观测到的模型电流与实际电流的偏差与转子磁链得到辨识速度。这种方法计算量复杂并且存在低速制动发散的问题，并且未对关键参数(即反馈增益矩阵)的设计进行详细说明。

现有速度辨识方法中还有部分方法设计出了全阶磁通观测器，该方法提出了基于修正的速度辨识算法，其能够解决感应电机制动模式下的稳定性问题。然而，该方法所使用的观测器反馈增益的配置较为复杂，不易实现。

针对现有技术中所存在的上述问题，本文提出一种改进的模型参考自适应法解决低速制动速度辨识发散问题。

图1示出了本实施例中异步电机T型等效电路模型。对于图1所示的等效电路图来说，其基本数学模型可以表示为：

其中，u_sα和u_sβ分别表示两相静止α-β坐标系下定子电压分量，R_s表示，L_s表示定子电感，L_m表示互感，L_r表示转子电感，T_r表示转子时间常数，ω表示转子电角速度，p表示微分算子，i_sα和i_sβ分别表示两相静止α-β坐标系下定子电流分量，ψ_rα和ψ_rβ分别表示在两相静止α-β坐标系下转子磁链分量，L_sσ表示考虑漏感时的定子等效电感。

根据上述数学模型，本实施例中，将转子磁链观测器的电压模型表示为：

其中，

和

分别表示电压模型下在两相静止α-β坐标系下转子磁链分量，t表示时间。

转子磁链观测器的电流模型表示为：

ψ_rα和ψ_rβ分别表示电流模型下在两相静止α-β坐标系下转子磁链分量。

图2示出了本实施例所提供的无速度传感器电机的速度辨识方法。

如图2所示，该方法首先在步骤S201中获取电机的电压数据和电流数据。具体地，本实施例中，该方法在步骤S201中所获取的电压数据优选地为通过电压传感器测量得到的整流母线上的电压U_d，获取的的电流数据优选地为三相电流数据i_a、i_b和i_c。

该方法在步骤S202中根据步骤S201所获取的电压数据和电流数据来分别计算在电压模型下和电流模型下待分析电机在两相静止α-β坐标系下的转子磁链分量。

具体地，本实施例中，该方法根据表达式(2)至表达式(5)来计算在电压模型下和电流模型下待分析电机在两相静止α-β坐标系下的转子磁链分量。因此，也就需要分别计算出两相静止α-β坐标系下定子电压分量u_sα和u_sβ以及两相静止α-β坐标系下定子电流分量i_sα和i_sβ。

本实施例中，优选地根据如下表达式计算两相静止α-β坐标系下定子电压分量u_sα和u_sβ：

其中，s_a、s_b和s_c分别表示三相逆变器的开关状态。

两相静止α-β坐标系下定子电流分量i_sα和i_sβ优选地根据如下表达式计算得到：

这样，在步骤S202中也就可以根据得到的两相静止α-β坐标系下定子电压分量u_sα和u_sβ以及两相静止α-β坐标系下定子电流分量i_sα和i_sβ利用表达式(2)至表达式(5)计算出不同模型下转子磁链分量。

本实施例所提供的方法将转子磁链观测器的电压模型作为参考模型，将电流模型作为可调模型，在步骤S203中根据步骤S202中所得到的在电压模型下和电流模型下待分析电机在两相静止α-β坐标系下的转子磁链分量计算速度辨识自适应律。

具体地，本实施例中，该方法在步骤S203中首先根据步骤S202中所得到的转子磁链分量分别计算在电压模型下和电流模型下待分析电机的磁通量。其中，在电压模型下待分析电机的磁通量

优选地可以根据如下表达式计算得到：

而在电流模型下待分析电机的磁通量ψ_r则优选地可以根据如下表达式计算得到：

ψ_r＝ψ_rα+jψ_rβ (10)

在得到电压模型下和电流模型下待分析电机的磁通量

和ψ_r后，该方法也就可以根据磁通量

和ψ_r以及预设调节参数计算得到待分析电机的速度辨识自适应律。

具体地不，本实施例中，该方法优选地根据如下表达式来计算待分析电机的速度辨识自适应律Δω：

其中，k表示预设调节参数。

本实施例中，预设调节参数k的取值可以根据不同的工况进行具体配置，以保证不同工况下该速度辨识方法的收敛性以及快速跟踪性。同时，通过地面试验不断调整该调节参数k的取值，还可以解决低速制动工况下速度辨识发散的问题。

再次如图2所示，在得到待分析电机的速度辨识自适应律Δω，该方法将在步骤S204中根据速度辨识自适应律Δω以及预设PI调节参数来计算得到待分析转子的转子电角速度ω。

具体地，该方法优选地根据如下表达式计算待分析电机的转子电角速度ω：

ω＝K_pΔω+K_i∫Δωdt (12)

其中，K_p和K_i分别表示PI调节的比例调节参数和积分调节参数，t表示时间。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的无速度传感器电机的速度辨识方法在确定电机的转子电角速度的过程中，并不需要使用相关的速度传感器或角速度传感器，该方法通过检测电机的电压数据和电流数据来确定其转子电角速度。同时，该方法实现过程简单，其速度辨识自适应律的计算过程能够降低低速制动工况下速度辨识发散的问题，从而使得最终得到的电机的转子电角速度更加准确。

从本实施例所提供的速度辨识方法的基本原理为基于中间电压传感器所测电压和电机两相或三相电流传感器所测电流进行速度信息的推算，所用电压传感器和电流传感器的准确性直接决定了速度辨识的准确性。

然而，在城市轨道交通应用等高可靠性应用场合，电压传感器和电流传感器的故障将会导致速度辨识的失败，引起系统的过流保护，甚至是在系统保护之前引起机械系统的剧烈抖动造成损伤，因此也就需要进行无速度控制系统的系统保护。为此，本实施例还提供了一种针对上述情况的电机保护方法，图3示出了该方法的流程图。

如图3所示，本实施例中，首先在步骤S301中利用上述内容提供的辨识速度确定方法来确定出待分析电机的转子电角速度ω，随后根据转子电角速度ω来确定出机车的估计速度v。由于上述内容已经详细介绍了确定转子电角速度ω的原理以及过程，因此在此不再对如何确定待分析电机的转子电角速度ω进行赘述。

当得到待分析电机的估计速度v后，该方法在步骤S302中根据该估计速度v来确定待分析电机的状态，并在步骤S303中判断待分析电机是否出现速度辨识错误或速度辨识发散状况。

具体地，本实施例中，该方法在步骤S302中通过将步骤S301中所得到的估计速度v与参考速度v_ref进行比较，并根据比较结果来判断待分析电机是否出现速度辨识错误或速度辨识发散状况。

具体地，本实施例中，首先计算估计速度与参考速度的偏差σ，即存在：

σ＝|v-v_ref| (13)

随后将该偏差σ与预设偏差阈值ε进行比较，如果偏差σ大于预设偏差阈值ε且持续时长达到预设时长，那么则可以判定此时待分析电机处于辨识速度错误状态；否则可以判定此时待分析电机未处于辨识速度错误状态。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，参考速度v_ref可以利用不同的方法来得到，本发明不限于此。例如，本实施例中，参考速度v_ref可以通过安装在每节动车的4个电机中某一个电机上的速度传感器或位置传感器来分析得到。在本发明的另一个实施例中，由于列车制动系统在轮对轴上安装有传感器进行速度的测量以进行制动控制，因此也就可以通过安装在轮对轴上的传感器来得到参考速度v_ref。而在本发明的其他实施例中，也可以利用安装在列车上的其他测试装置(例如测速雷达等)来确定参考速度v_ref。

同时，还需要指出的是，在本发明的其他实施例中，该方法在步骤S302中还可以通过其他合理方式来根据估计速度v判断待分析电机是否出现速度辨识错误或速度辨识发散状况，本发明同样不限于此。

例如，在本发明的一个实施例中，该方法在步骤S302不引入参考速度，而是计算估计速度v的加速度a，并计算该加速度a与预设加速度阈值a_ref的偏差，如果该偏差大于预设加速度偏差阈值，则判定此时待分析电机是否出现速度辨识发散状况。

如图3所示，如果待分析电机当前出现速度辨识错误或速度辨识发散状况，此时该方法将在步骤S304中封锁电机逆变器，从而实现对该电机的保护。而如果待分析电机当前正常，那么此时也就不需要进行额外动作。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的电机保护方法是基于所确定出的电机的转子电角速度来进行电机保护，该方法能够有效确定出电机是否出现速度辨识错误或湿度辨识发散状况，进而实现对电机进行准确、有效地保护。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (8)

1.一种无速度传感器电机的速度辨识方法，其特征在于，所述方法包括：

转子磁链分量确定步骤，获取待分析电机的电压数据和电流数据，根据所述电压数据和电流数据分别计算在电压模型下和电流模型下所述待分析电机在两相静止α-β坐标系下的转子磁链分量，其中，所述电压数据为整流母线上的电压，所述电流数据为三相电流数据；

速度辨识自适应律确定步骤，根据所述转子磁链分量计算所述待分析电机的速度辨识自适应律；

辨识速度确定步骤，根据所述速度辨识自适应律计算所述待分析电机的转子电角速度，其中，所述速度辨识自适应律确定步骤包括：

根据所述转子磁链分量分别计算在电压模型下和电流模型下所述待分析电机的磁通量；

根据所述待分析电机的磁通量计算所述待分析电机的速度辨识自适应律，其中，根据如下表达式计算所述速度辨识自适应律：

其中，Δω表示速度辨识自适应律，

和ψ_r分别表示电压模型和电流模型下待分析电机的转子磁通量，k表示预设调节参数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据如下表达式计算所述转子电角速度：

ω＝K_pΔω+K_i∫Δωdt

其中，ω表示转子电角速度，K_p和K_i分别表示PI调节的比例调节参数和积分调节参数，Δω表示速度辨识自适应律，t表示时间。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

根据如下表达式计算在电压模型下所述待分析电机的磁通量：

根据如下表达式计算在电流模型下所述待分析电机的磁通量：

ψ_r＝ψ_rα+jψ_rβ

其中，

和ψ_r分别表示电压模型和电流模型下待分析电机的转子磁通量，ψ_rα和ψ_rβ分别表示电流模型下待分析电机在两相静止α-β坐标系下的转子磁链分量，

和

分别表示电压模型下待分析电机在两相静止α-β坐标系下的转子磁链分量。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，转子磁链观测器的电压模型表示为：

其中，

和

分别表示电压模型下在两相静止α-β坐标系下转子磁链分量，L_r表示转子电感，L_m表示互感，u_sα和u_sβ分别表示两相静止α-β坐标系下定子电压分量，R_s表示定子电阻，L_s表示定子电感，p表示微分算子，i_sα和i_sβ分别表示在两相静止α-β坐标系下定子电流分量，t表示时间。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述转子磁链观测器的电流模型表示为：

其中，ψ_rα和ψ_rβ分别表示电流模型下在两相静止α-β坐标系下转子磁链分量，L_m表示互感，T_r表示时间常数，i_sα和i_sβ分别表示在两相静止α-β坐标系下定子电流分量，ω表示转子电角速度。

6.一种电机保护方法，其特征在于，所述方法包括：

辨识速度确定步骤，利用如权利要求1～5中任一项所述的方法确定待分析电机的转子电角速度，并根据所述转子电角速度确定机车的估计速度；

电机保护步骤，根据所述估计速度确定所述待分析电机的的状态，其中，当所述待分析电机出现速度辨识错误或速度辨识发散状况时，封锁电机逆变器，以实现对所述待分析电机的保护。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述电机保护步骤中，

利用传感器获取所述待分析电机的实际运行速度，得到参考速度；

计算所述估计速度与参考速度的偏差，并判断该偏差是否大于预设偏差阈值，如果大于，则判定所述待分析电机出现速度辨识错误状况。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述电机保护步骤中，

根据所述辨识速度计算对应加速度；

判断所述加速度是否大于预设加速度阈值，如果大于，则判定所述待分析电机出现速度辨识发散状况。

Images