CN107544257A - 一种交流电机自适应控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电机自适应控制方法及控制系统，属于交流电机自适应控制技术领域。目的是为了解决煤矿井下环境恶劣多变，通风电动机温度保护功能明显下降导致井口温度提升，瓦斯等爆炸事故不断的问题。控制方法具体为进行交流电机运行环境温度采集及交流电机电流采样，将结果传送给主控芯片ARM，主控芯片ARM根据温度模型及电流模型，对温度及电流进行FFT运算，通过驱动器控制智能逆变器IPM实现交流电机的自适应控制。控制系统，包括温度采集电路、电流采样保值电路、主控芯片ARM、驱动器、智能逆变器IPM。本发明与传统控制系统相比，增设了速度和转矩的双闭环反馈监控，实现了系统在线实时跟踪功能。

Description

一种交流电机自适应控制方法及控制系统

技术领域

本发明具体涉及一种交流电机自适应控制方法及控制系统，属于交流电机自适应控制技术领域。

背景技术

我国是煤炭生产消费大国，煤炭产业的发展，推动了交流电动机在矿井通风系统中广泛应用。但矿井环境恶劣，以单片机为控制核心的传统保护控制系统已经满足不了井下安全生产的需求，尤其是电机温度保护功能薄弱引发的瓦斯爆炸事故处于上升趋势。据相关部门统计，2010～2016年，在煤矿发生的事故中，瓦斯爆炸占总事故30％以上，其中由温度引发的爆炸占总瓦斯事故的80％以上。可见提高煤矿井下通风系统的动力驱动装置-交流电机的温度保护功能是预防瓦斯爆炸的重要手段。

发明内容

因此，本发明针对煤矿井下环境恶劣多变，通风电动机温度保护功能明显下降导致井口温度提升，瓦斯等爆炸事故不断发生问题，设计了一种基于ARM的交流电机温度自适应控制方法及控制系统系统。

具体的，交流电机自适应控制方法，其特征在于，所述方法具体为：进行交流电机运行环境温度采集及交流电机电流采样，将结果传送给主控芯片ARM，主控芯片ARM根据温度模型及电流模型，对温度及电流进行FFT运算，通过驱动器控制智能逆变器IPM实现交流电机的自适应控制；

所述温度模型具体为：

把电机运行整个过程离散为一个个小区间T，在每个小区间上的温度值由温度传感器在线检测，并做近似线性化处理，再经隔离、滤波、放大及频率补偿处理后，送入ARM的I/O，进行A/D转换并数字滤波处理，然后做快速FFT运算，获得的温度-时间关系式，如公式一所示：

式中：θ_i-第i时间段温度；θ_i-1-第i-1时间段温度，θ_i去噪声处理，依据数据融合法则，去噪声算法如下：

设满足条件的温度方程θ，如公式二所示：

θ＝Hθ_i+R 公式二

式中：H——温度方程系数矩阵；R——误差向量，

根据一致性法则，公式二计算的温度值去极值处理，然后分两组，分别表示为θ_1k、θ_2k，则每组算术平均值及噪声标准误差依次表示为公式三：

根据分批估算原则获得温度融合标准误差，如公式四所示：

令H＝[1 1]^T，σ＝[T₁ T₂]^T，可推导出温度动态响应的函数式，如公式五所示：

由公式五算出的温度值应满足T＜T_m，T_m为电机正常运行极限温度；

电流模型具体为：

设采样电流频率为f_s，信号源频率为f，取f_S＞2f，采样点数为N，N取2的整数次方，送入到ARM中，先做A/D转换，而后进行数字滤波处理、FFT算法，获得一个N点复数，每一个复数点对应一个频率，接着进行取模运算获得该频率下幅频响应函数，再由FFT公式推导出各相电流基次波实部和虚部的数学模型；

相电流基次波实部公式如公式六所示：

相电流基次波虚部公式如公式七所示：

式中：I_ka-第k时间段的电流；I_ka-1-第k-1时间段的电流，采取前面温度去噪声算法获得相实部去噪声处理的标准误差公式，如公式八所示：

式中I_1i，I_2i-I_ka分组电流；I₁，I₂-每组对应的算术平均值，将公式六和公式八式联立求得电流动态跟踪的数学模型，如公式九所示：

根据公式九计算的电流值应满足I_ka＜I_m，I_m为电机正常运行时额定电流。

本发明还提供了一种实现上述控制方法的交流电机自适应控制系统。

具体的，交流电机自适应控制系统，包括温度采集电路、电流采样保值电路，所述控制系统还包括主控芯片ARM、驱动器、智能逆变器IPM，所述主控芯片ARM分别连接温度采集电路、电流采样保值电路、驱动器，所述驱动器连接智能逆变器IPM，智能逆变器IPM设置在电网的整流滤波电路与交流电机之间。

进一步的，所述控制系统还包括与主控芯片ARM连接的故障检测电路、串行通信接口、液晶显示器。

进一步的，所述主控芯片ARM为PLC2919。

进一步的，所述智能逆变器IPM为PS21865。

进一步的，所述温度采集电路包括温度传感器DS18820。

本发明的有益效果在于：

综上所述，本发明提供的交流电机自适应控制方法及控制系统，硬件设计以微处理器ARM替换传统控制中的单片机；智能逆变器IPM取代繁琐的逆变电路，并设计了速度和转矩双闭环反馈监控系统，简化了系统硬件结构，缩短了设计周期。软件设计结合FFT算法和数据融合技术，构建了温度和电流的数学模型，取代传统控制模式的经验公式，并采用数字滤波器算法进一步优化系统，实现了系统的动态跟踪。实验结果验证了所设系统的稳定性的、有效性、可行性。

附图说明

图1是控制系统硬件结构框图。

图2是温度采样放大电路示意图。

图3是电流采样保值电路示意图。

图4是数字滤波算法流程图。

图5是电压输出波形比较示意图。

图6是速度输出波形比较示意图。

图7是转矩输出波形比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

本发明设计了基于ARM的风电动机自适应控制系统，充分利用ARM资源丰富的优势，并构建了温度、电流自适应系统模型，较好地解决了现有技术存在的问题。

系统硬件设计

系统整体结构

交流电机自适应控制系统结构框图如图1所示，包括主控芯片ARM(PLC2919)、智能逆变器IPM(PS21865)、显示器LCD以及监测电路等。NXP公司出台的PLC2919自带了4个32位定时器、3个8通道的ADC、以及众多I/O接口等，优化了硬件结构，缩短了设计时间；内集了4个6路PWM单元，满足交流电机控制的要求；运算速度高达80MHz，适用于FFT、数字滤波算法等复杂运算；耐温范围在-40～+85℃之间，适合于矿井恶劣工作环境。三菱公司出台的智能逆变器PS21865模块，内集了功率开关、IGBT驱动器、隔离及过流欠压保护等电路，不仅简化了外围电路设计，也提高了输出的稳定性。温度检测元件选用智能传感器(DSI8820)，能够线性化处理检测信号且精度较高。

温度采集电路

图2是温度检测放大电路，DSI8820将检测到的温度信号首先做线性化处理，由数据总线送入射极输出器T1隔离，排除信号间干扰，再经C2滤波、U1放大及电容C1进行频率补偿，最后输出5V电压作为温度采样数据送入控制器LPC2919的ADC接口AIN，完成对温度采样处理(采集通道数量n≥8)。

电流采样保值电路

图3为电流采样保值电路，电流互感器从连接到电动机的三相定子线圈上获取电流，经二极管(D1～D3)整流，滤波(C1～C6、R1～R3)，电阻(R4～R6)分压，二极管(D4～D6)钳位电压为5V电压，作为最终的电流采集数据送入LPC2919的ADC接口AIN。

系统软件设计

交流电机工作不稳定因素很多，但影响最大的有两个，一个是环境温度，另一个是定子线圈的电流，下面介绍温度和电流如何控制。

构建温度模型

由于交流电机环境温度变化与时间关系是非线性的，在连续的运行时间内，无法用一个具体的函数式描述温度θ与时间t的关系，但可充分利用ARM数据运算快的优势，把电机运行整个过程离散为一个个小区间T，在每个小区间上的温度值由温度传感器DSI8820在线检测，并做近似线性化处理获得，再经隔离、滤波、放大及频率补偿等处理(参见图2)后，送入ARM的I/O，进行A/D转换并数字滤波处理(参见图4)，然后做快速FFT运算，获得的温度-时间关系式：

式中：θ_i-第i时间段温度；θ_i-1-第i-1时间段温度。

鉴于煤矿井下信号干扰大，θ_i需要考虑去噪声处理，依据数据融合法则，去噪声算法如下：

设满足条件的温度方程θ：

θ＝Hθ_i+R (2)

式中：H——温度方程系数矩阵；R——误差向量。

根据一致性法则，式(2)计算的温度值去极值处理，然后分两组，分别表示为θ_1k、θ_2k，则每组算术平均值及噪声标准误差依次表示为：

根据分批估算原则获得温度融合标准误差：

令H＝[1 1]^T，σ＝[T₁ T₂]^T，可推导出温度动态响应的函数式：

由公式(5)算出的温度值应满足T＜T_m，T_m为电机正常运行极限温度，若T≥T_m，则必须采取软件编程保护处理。

构建电流模型

由于定子线圈的三相交流电流随着负载以及电网电压的波动而变化，若电流超过电机额定电流，线圈温度剧升，可能引发井下瓦斯爆炸。要实现电流控制，需找出电流I与电压U(或负载转矩T)之间的具体函数关系，但可借助于ARM资源丰富优势，采用FFT找到电流与时间的数学模型，而后应用数据融合技术修正信号间误差干扰，具体实现如下：

设采样电流频率为f_s，信号源频率为f(取f_s＞2f)，采样点数为N(N取2的整数次方)，送入到ARM中，先做A/D转换，而后进行数字滤波处理、FFT算法，便可获得一个N点复数，每一个复数点对应一个频率，接着进行取模运算获得该频率下幅频响应函数，再由FFT公式推导出各相电流基次波实部和虚部的数学模型，下面以A相电流为例，B相、C相类似。

A相电流基次波实部公式：

A相电流基次波虚部公式：

式中：I_ka-第k时间段的电流；I_ka-1-第k-1时间段的电流。

采取前面温度去噪声算法获得A相实部去噪声处理的标准误差公式：

式中：I_1i，I_2i-I_ka分组电流；I₁，I₂-每组对应的算术平均值，将(6)式和(8)式联立求得电流动态跟踪的数学模型：

根据式(9)计算的电流值应满足I_ka＜I_m，I_m为电机正常运行时额定电流，若I_ka≥I_m，则必须采取软件编程保护处理。

数字滤波算法

矿井里的通风电机工作环境恶劣多变，采集数据误差很大，如果将A/D转换数据直接做FFT处理，输出误差可能会加剧，引起电机失控现象。所以在进行FFT运算之前，需要进行数字滤波处理，方可确保ARM运算的结果准确性，其流程图如图4。

首先系统初始化，然后采集温度或电流参数，采集次数i小于8时，返回继续采集数据，直到采集次数i＝8停止采集数据，对8个数据的大小进行排序，分别找出最大值和最小值，并将其删除，然后求剩余数据平均值，输出该平均值。

实验验证

实验过程

实验场地设在潘三煤矿井下3#采掘工作面，被控对象是井下一台备用的三相异步交流电机，其接线为△；P_N＝40W；u_N＝380V；n_N＝1460r/nim，T_N＝40N.m，f＝50Hz。温度采样点k＝30，电流采样周期为1e-6s，IPM输出的SPWM周期为1e-4s，具体实验步骤如下。

1)当t＝0s时，启动电机，给定速度ω＝900r/min，

2)当电机稳定运行时，逐渐增加速度到ω＝1200r/min，

3)当电机达到新的稳定运行时，逐渐降低速度至ω＝600r/min，

4)当t＝0.006s时，突然增加电机负载T＝30N.m，直到电机稳定运行为止，

5)当t＝0.012s时，突然减少电机负载T＝10N.m。

为了增加可比性，实验采取对比方式，即电机在传统控制模式和自适应控制模式两种情况下进行实验，实验结果分别如图5、图6、图7所示。

实验结果分析

从图5中可看出在85min、160min和330min左右，传统模式下电机没有电压信号输出，可能是此时矿井里环境恶劣突变导致跳闸现象，但在自适应模式下系统输出的电压波形较平稳。

从图6可以看出两种模式下速度响应都很快，不到0.001s完成加速或降速动作，且都很快稳定到给定值，但在传统控制模式下超调量约为3.5％，但在自适应系统控制下的超调量约为1.2％左右，超调量明显减小，且波动也较小。

从图7可以看出电机空载启动时，时间不到0.002s就达到了额定转矩，当加速到给定值时，转矩迅速恢复为零。当t＝0.006s时，突然给电机增加负载为30N.m，转矩随之迅速上升到T＝30N.m；当t＝0.012s时，突然给电机减少负载为10N.m，转矩立即随之降至为T＝10N.m。

在这两种控制模式下电机都能在给定负载值下稳定运行，但相比之下，传统控制模式下转矩脉动较明显，等待系统运行稳定后，转矩波动范围约±0.08％左右，而在自适应系统控制模式下转矩波动范围约±0.02％左右，可见，自适应控制系统是稳定的、有效的、可行的。

在分析煤矿通风电机温度保护功能下降原因的基础上，本发明研究和设计了一种基于ARM的电机自适应控制方法及控制系统。本发明与传统控制系统相比，不仅优化了软硬件结构，提高了保护功能，而且增设了速度和转矩的双闭环反馈监控，实现了系统在线实时跟踪功能。实验表明本发明的自适应控制系统是可行的和稳定的，适用于环境恶劣多变的矿井、油井、金矿等开采场所。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种交流电机自适应控制方法，其特征在于，所述方法具体为：进行交流电机运行环境温度采集及交流电机电流采样，将结果传送给主控芯片ARM，主控芯片ARM根据温度模型及电流模型，对温度及电流进行FFT运算，通过驱动器控制智能逆变器IPM实现交流电机的自适应控制；

所述温度模型具体为：

把电机运行整个过程离散为一个个小区间T，在每个小区间上的温度值由温度传感器在线检测，并做近似线性化处理，再经隔离、滤波、放大及频率补偿处理后，送入ARM的I/O，进行A/D转换并数字滤波处理，然后做快速FFT运算，获得的温度-时间关系式，如公式一所示：

式中：θ_i-第i时间段温度；θ_i-1-第i-1时间段温度，

θ_i去噪声处理，依据数据融合法则，去噪声算法如下：

设满足条件的温度方程θ，如公式二所示：

θ＝Hθ_i+R 公式二

式中：H——温度方程系数矩阵；R——误差向量，

根据一致性法则，公式二计算的温度值去极值处理，然后分两组，分别表示为θ_1k、θ_2k，则每组算术平均值及噪声标准误差依次表示为公式三：

根据分批估算原则获得温度融合标准误差，如公式四所示：

令H＝[1 1]^T，σ＝[T₁ T₂]^T，可推导出温度动态响应的函数式，如公式五所示：

由公式五算出的温度值应满足T＜T_m，T_m为电机正常运行极限温度；

电流模型具体为：

设采样电流频率为f_s，信号源频率为f，取f_S＞2f，采样点数为N，N取2的整数次方，送入到ARM中，先做A/D转换，而后进行数字滤波处理、FFT算法，获得一个N点复数，每一个复数点对应一个频率，接着进行取模运算获得该频率下幅频响应函数，再由FFT公式推导出各相电流基次波实部和虚部的数学模型；

相电流基次波实部公式如公式六所示：

相电流基次波虚部公式如公式七所示：

式中：I_ka-第k时间段的电流；I_ka-1-第k-1时间段的电流，

采取前面温度去噪声算法获得相实部去噪声处理的标准误差公式，如公式八所示：

式中：I_1i，I_2i-I_ka分组电流；I₁，I₂-每组对应的算术平均值，将公式六和公式八式联立求得电流动态跟踪的数学模型，如公式九所示：

根据公式九计算的电流值应满足I_ka＜I_m，I_m为电机正常运行时额定电流。

2.一种实现权利要求1所述的交流电机自适应控制方法的交流电机自适应控制系统，包括温度采集电路、电流采样保值电路，其特征在于，所述控制系统还包括主控芯片ARM、驱动器、智能逆变器IPM，所述主控芯片ARM分别连接温度采集电路、电流采样保值电路、驱动器，所述驱动器连接智能逆变器IPM，智能逆变器IPM设置在电网的整流滤波电路与交流电机之间。

3.如权利要求2所述的交流电机自适应控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括与主控芯片ARM连接的故障检测电路、串行通信接口、液晶显示器。

4.如权利要求2所述的交流电机自适应控制系统，其特征在于，所述主控芯片ARM为PLC2919。

5.如权利要求2所述的交流电机自适应控制系统，其特征在于，所述智能逆变器IPM为PS21865。

6.如权利要求2所述的交流电机自适应控制系统，其特征在于，所述温度采集电路包括温度传感器DS18820。