CN107707169A - 一种直线感应电机无速度传感器控制系统及方法 - Google Patents

一种直线感应电机无速度传感器控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直线感应电机无速度传感器控制系统及方法，属于交流电机控制技术领域，该系统所提出的状态观测器同时结合了电机电磁与机械模型，可有效提高状态观测器的动态性能，同时还能够观测电机负载阻力。基于观测的负载阻力，速度控制器加入了负载阻力的前馈补偿，提高了速度控制器的速度跟踪性能，进而抑制了负载变化对转速的影响。本发明具有跟踪动态性能好，整定参数少，鲁棒性强等特点。

Description

一种直线感应电机无速度传感器控制系统及方法
技术领域
本发明属于交流电机控制技术领域，更具体地，涉及一种直线感应电机无速度传感器控制系统及方法。
背景技术
直线感应电机作为一种不经过中间传动装置，直接产生直线运动推力的具有优良控制性能的驱动设备，已经广泛应用于磁悬浮、地铁、工业机床、电动门等领域。直线感应电机的控制通常需要测量电机运行的速度，但是其速度的测量通常需要沿导轨铺设专门的设备，测速成本高，维护不便，因此基于无速度传感器控制的直线感应电机控制方法变得更为吸引力。
由于多段初级直线感应电动机(linear induction motor，LIM)动态边端效应的影响，电机参数相比普通旋转感应电机变化更为剧烈，因此传统的无速度传感器控制方法不能直接应用于LIM。此外，在诸多无速度传感器控制方法中，开环速度估计受电机参数的影响较大，而闭环速度的估计方法虽然对电机参数的偏差具有一定的鲁棒性，但是往往参数难以调整。同时鉴于电机的速度不仅受到电机的电压和电流的影响，也会受到机械因素的影响，但大部分的控制方法仅根据电机的电磁模型建立，通常忽略了机械因素对电机速度的影响。此外针对无速度传感器的应用，大部分的工作主要针对速度的观测，但是对速度控制器的设计尚有不足。虽然有一些高级控制算法应用在有速度传感器的领域，但是由于无速度传感器的控制方式，不能直接测量速度，因此这些高级算法在应用时，必须考虑估计速度与实际速度之间的动态特性，这提高了高级控制算法应用的难度。此外，无速度传感器控制方法的应用也要考虑算法的复杂性，而目前所使用的无速度传感器控制方法需要的参数较多，实际应用时调试较复杂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种直线感应电机无速度传感器控制系统及方法，由此解决目前所使用的无速度传感器控制方法需要的参数较多，实际应用时调试较复杂的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种直线感应电机无速度传感器控制系统，包括：状态观测器、速度控制器以及dq轴电流控制器；
所述状态观测器，用于基于采样得到的直线感应电机的电流以及初级电流的估计值得到电流的估计误差；基于电流的估计误差、次级磁链估计值以及扰动的估计值得到转速的估计误差；基于次级磁链估计值以及采样得到的直线感应电机的电流得到电机推力估计值；基于采样得到的直线感应电机的电流、次级磁链估计值、采样得到的直线感应电机的电压、扰动的估计值以及电流的估计误差得到电流的估计值；基于转速的估计误差、电机推力估计值以及观测的直线感应电机负载阻力得到转速估计值；基于转速的估计误差得到负载阻力估计值；
所述速度控制器，用于根据参考转速以及所述状态观测器得到的转速估计值与负载阻力估计值，得到q轴的参考电流
所述dq轴电流控制器，用于根据输入q轴PI控制器中的q轴参考电流与实际电流iq的差值以及输入d轴PI控制器的d轴参考电流和实际电流id的差值，得到逆变器欲输出的d轴电压ud以及q轴电压uq，以由ud与uq经过Park逆变换以及空间矢量脉宽调制后，产生脉宽调制信号控制逆变器，从而驱动直线感应电机。
优选地，所述状态观测器，用于由得到电流的估计误差；由得到转速的估计误差；由得到电机推力估计值；由
得到电流的估计值；由得到转速估计值；由得到负载阻力估计值；其中，is＝[isα isβ]T为αβ坐标系下的电流向量，
us＝[usα usβ]T为αβ坐标系下的电压向量，为初级电流的估计向量，为次级磁链的估计向量，为扰动的估计向量，为直线感应电机的估计角速度，为观测的电机负载阻力，Rs为直线感应电机的初级电阻，Rr为直线感应电机的次级电阻，Ls为直线感应电机的初级自感，Lr为直线感应电机的次级自感，Lm为电机的互感，σ为漏磁系数，Tr为次级时间常数，M为直线感应电机的动子质量，τ为直线感应电机的极距，p1为磁链观测器的带宽，p2为速度观测器的带宽，
优选地，所述速度控制器，用于由得到q轴的参考电流，其中，ks为速度控制增益，为参考转速。
按照本发明的另一方面，提供了一种直线感应电机无速度传感器控制方法，包括：
(1)根据采样的当前时刻的电流is(k)以及上一时刻估算的当前时刻的电流得到电流的估计误差ei；
(2)根据上一时刻估计的当前时刻的磁链和扰动计算转速估计误差eω；
(3)根据估计的磁链和当前时刻的电流is(k)，计算得到电机推力Fe；
(4)根据当前时刻的电压us(k)、当前时刻的电流is(k)、电流估计误差ei、转速估计误差eω、电磁推力Fe、上一时刻对当前时刻的电流估计值上一时刻对当前时刻的扰动估计值上一时刻对当前时刻的磁链估计值上一时刻对当前时刻的转速估计值以及上一时刻对当前时刻的负载阻力估计值估计下一时刻的电流扰动磁链转速和负载阻力FL(k+1)；
(5)根据上一时刻对当前时刻的转速估计值和上一时刻对当前时刻的负载阻力估计值以及参考转速得到速度控制器的输出，并将速度控制器的输出作为q轴电流的参考值
(6)将d轴电流的参考值与实际电流id输入d轴PI调节器，将q轴电流的参考值与实际电流iq输入q轴PI调节器，得到逆变器输出的d轴电压ud与q轴电压uq，再进行坐标变换得到α轴电压uα与β轴电压uβ，将uα与uβ通过空间矢量脉宽调制产生相应的脉宽调制信号，以控制逆变器的输出电压驱动直线感应电机。
优选地，电流的估计误差ei为：转速估计误差eω为：
电机推力Fe为：下一时刻的电流为：下一时刻的扰动为：下一时刻的磁链为：
下一时刻的转速为：
下一时刻的负载阻力FL(k+1)为：
其中，is(k)＝[isα(k) isβ(k)]T，Rs为直线感应电机的初级电阻，Rr为直线感应电机的次级电阻，Ls为直线感应电机的初级自感，Lr为直线感应电机的次级自感，Lm为电机的互感，σ为漏磁系数，Tr为次级时间常数，M为直线感应电机的动子质量，τ为直线感应电机的极距，p1为磁链观测器的带宽，p2为速度观测器的带宽，Ts为微控制器的采样控制周期，
优选地，在步骤(5)中得到的q轴电流的参考值为：其中，ks为速度控制增益。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)采用状态观测器来观测次级磁链，主动考虑了转速估计误差对次级磁链的观测结果的影响；
(2)所建立的状态观测器考虑了直线感应电机机械部分对转速变化的作用，提高了系统的鲁棒性和转速估计的动态性能，并且能够同时观测直线感应电机的转速和电机的负载阻力；
(3)根据观测到的负载阻力，所建立的速度控制器对负载阻力进行了前馈补偿，有效的提高了系统的转速跟踪性能和对负载扰动的抑制能力；
(4)同时考虑了转速的估计和控制，将系统的待调节参数减小到3个分别为磁链观测器带宽p1，转速观测器带宽p2和转速控制增益ks，有利于实际工程应用中的参数调试和整定。
附图说明
图1是本发明实施例公开的一种直线感应电机无速度传感器控制系统的结构示意图；
图2是本发明实施例公开的一种直线感应电机无速度传感器控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明实施例公开的一种直线感应电机无速度传感器控制系统的结构示意图，包括：状态观测器、速度控制器以及dq轴电流控制器；
状态观测器，用于基于采样得到的直线感应电机的电流以及初级电流的估计值得到电流的估计误差；基于电流的估计误差、次级磁链估计值以及扰动的估计值得到转速的估计误差；基于次级磁链估计值以及采样得到的直线感应电机的电流得到电机推力估计值；基于采样得到的直线感应电机的电流、次级磁链估计值、采样得到的直线感应电机的电压、扰动的估计值以及电流的估计误差得到电流的估计值；基于转速的估计误差、电机推力估计值以及观测的直线感应电机负载阻力得到转速估计值；基于转速的估计误差得到负载阻力估计值；
速度控制器，用于根据参考转速以及所述状态观测器得到的转速估计值与负载阻力估计值，得到q轴的参考电流
dq轴电流控制器，用于根据输入q轴PI控制器中的q轴参考电流与实际电流iq的差值以及输入d轴PI控制器的d轴参考电流和实际电流id的差值，得到逆变器欲输出的d轴电压ud以及q轴电压uq，以由ud与uq经过Park逆变换以及空间矢量脉宽调制后，产生脉宽调制信号控制逆变器，从而驱动直线感应电机。
在一个可选的实施方式中，状态观测器，具体用于由得到电流的估计误差；由得到转速的估计误差；由得到电机推力估计值；由得到电流的估计值；由得到转速估计值；由得到负载阻力估计值；其中，is＝[isα isβ]T为αβ坐标系下的电流向量，us＝[usα usβ]T为αβ坐标系下的电压向量，为初级电流的估计向量，为次级磁链的估计向量，为扰动的估计向量，为直线感应电机的估计角速度，为直线感应电机的估计线速度，且 为观测的电机负载阻力，Rs为直线感应电机的初级电阻，Rr为直线感应电机的次级电阻，Ls为直线感应电机的初级自感，Lr为直线感应电机的次级自感，Lm为电机的互感，σ为漏磁系数，且Tr为次级时间常数，M为直线感应电机的动子质量，τ为直线感应电机的极距，p1为磁链观测器的带宽，p2为速度观测器的带宽，
其中，考虑到直线感应电机边端效应对电机参数的影响，互感的计算公式为Lm＝[1-f(Q)]Lm0，Lm0为直线感应电机在静止状态下的互感，f(Q)＝[1-exp(-Q)]/Q，L为电机的初级长度，Ll2为次级漏感；
在一个可选的实施方式中，速度控制器，具体用于由得到q轴的参考电流，其中，ks为速度控制增益，为参考转速。
为了适应微控制器执行的要求，本发明提出了一种直线感应电机无速度传感器控制方法，首先采集直线感应电机的A相电流ia、B相电流ib和逆变器的直流母线电压udc，以直接测量或间接计算的方式得到电机的A相电压ua和B相电压ub；然后将电机的相电流和相电压进行clarke变换，得到αβ坐标系下的初级电流和电压，并构成向量is(k)＝[isα(k) isβ(k)]T、us(k)＝[usα(k) usβ(k)]T。具体地，如图2所示，该控制方法包括以下步骤：
(1)根据采样的当前时刻的电流is(k)以及上一时刻估算的当前时刻的电流得到电流的估计误差ei；
(2)根据上一时刻估计的当前时刻的磁链和扰动计算转速估计误差eω；
(3)根据估计的磁链和当前时刻的电流is(k)，计算得到电机推力Fe；
(4)根据当前时刻的电压us(k)、当前时刻的电流is(k)、电流估计误差ei、转速估计误差eω、电磁推力Fe、上一时刻对当前时刻的电流估计值上一时刻对当前时刻的扰动估计值上一时刻对当前时刻的磁链估计值上一时刻对当前时刻的转速估计值以及上一时刻对当前时刻的负载阻力估计值估计下一时刻的电流扰动磁链转速和负载阻力FL(k+1)；
(5)根据上一时刻对当前时刻的转速估计值和上一时刻对当前时刻的负载阻力估计值以及参考转速得到速度控制器的输出，并将速度控制器的输出作为q轴电流的参考值
(6)将d轴电流的参考值与实际电流id输入d轴PI调节器，将q轴电流的参考值与实际电流iq输入q轴PI调节器，得到逆变器输出的d轴电压ud与q轴电压uq，再进行坐标变换得到α轴电压uα与β轴电压uβ，将uα与uβ通过空间矢量脉宽调制产生相应的脉宽调制信号，以控制逆变器的输出电压驱动直线感应电机。
到下一采样控制周期，则继续重复执行以上步骤(1)～步骤(6)进行循环控制。
在一个可选的实施方式中，电流的估计误差ei为：转速估计误差eω为：电机推力Fe为：下一时刻的电流为：下一时刻的扰动为：下一时刻的磁链为：
下一时刻的转速为：
下一时刻的负载阻力FL(k+1)为：
其中，is(k)＝[isα(k) isβ(k)]T，Rs为直线感应电机的初级电阻，Rr为直线感应电机的次级电阻，Ls为直线感应电机的初级自感，Lr为直线感应电机的次级自感，Lm为电机的互感，σ为漏磁系数，Tr为次级时间常数，M为直线感应电机的动子质量，τ为直线感应电机的极距，p1为磁链观测器的带宽，p2为速度观测器的带宽，Ts为微控制器的采样控制周期，
其中，由估计出的次级磁链求得次级磁链的角度和幅值分别为：
其中，参考角频率与参考线速度v*的关系为：
在一个可选的实施方式中，在步骤(5)中得到的q轴电流的参考值为：其中，ks为速度控制增益。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种直线感应电机无速度传感器控制系统，其特征在于，包括：状态观测器、速度控制器以及dq轴电流控制器；
所述状态观测器，用于基于采样得到的直线感应电机的电流、初级电流的估计值、次级磁链估计值、扰动的估计值以及观测的直线感应电机负载阻力得到转速估计值以及负载阻力估计值；
所述速度控制器，用于根据参考转速以及所述状态观测器得到的转速估计值与负载阻力估计值，得到q轴的参考电流
所述dq轴电流控制器，用于根据输入q轴PI控制器中的q轴参考电流与实际电流iq的差值以及输入d轴PI控制器的d轴参考电流和实际电流id的差值，得到逆变器欲输出的d轴电压ud以及q轴电压uq，以由ud与uq经过Park逆变换以及空间矢量脉宽调制后，产生脉宽调制信号控制逆变器，从而驱动直线感应电机。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述状态观测器，用于由得到转速估计值以及由得到负载阻力估计值，其中，eω为转速的估计误差，Fe为电机推力估计值，为观测的电机负载阻力，M为直线感应电机的动子质量，τ为直线感应电机的极距，p2为速度观测器的带宽。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述速度控制器，用于由得到q轴的参考电流，其中，ks为速度控制增益，为参考转速，为直线感应电机的估计角速度，为次级磁链的估计向量，为观测的电机负载阻力。
4.一种直线感应电机无速度传感器控制方法，其特征在于，包括：
(1)根据采样的当前时刻的电流is(k)以及上一时刻估算的当前时刻的电流得到电流的估计误差ei；
(2)根据上一时刻估计的当前时刻的磁链和扰动计算转速估计误差eω；
(3)根据估计的磁链和当前时刻的电流is(k)，计算得到电机推力Fe；
(4)根据当前时刻的电压us(k)、当前时刻的电流is(k)、电流估计误差ei、转速估计误差eω、电机推力Fe、上一时刻对当前时刻的电流估计值上一时刻对当前时刻的扰动估计值上一时刻对当前时刻的磁链估计值上一时刻对当前时刻的转速估计值以及上一时刻对当前时刻的负载阻力估计值估计下一时刻的电流扰动磁链转速和负载阻力FL(k+1)；
(5)根据上一时刻对当前时刻的转速估计值和上一时刻对当前时刻的负载阻力估计值以及参考转速得到速度控制器的输出，并将速度控制器的输出作为q轴电流的参考值
(6)将d轴电流的参考值与实际电流id输入d轴PI调节器，将q轴电流的参考值与实际电流iq输入q轴PI调节器，得到逆变器输出的d轴电压ud与q轴电压uq，再进行坐标变换得到α轴电压uα与β轴电压uβ，将uα与uβ通过空间矢量脉宽调制产生相应的脉宽调制信号，以控制逆变器的输出电压驱动直线感应电机。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，电流的估计误差ei为：转速估计误差eω为：电机推力Fe为：下一时刻的电流为：下一时刻的扰动为：下一时刻的磁链为：
下一时刻的转速为：
下一时刻的负载阻力FL(k+1)为：
其中，is(k)＝[isα(k) isβ(k)]T，Rs为直线感应电机的初级电阻，Rr为直线感应电机的次级电阻，Ls为直线感应电机的初级自感，Lr为直线感应电机的次级自感，Lm为电机的互感，σ为漏磁系数，Tr为次级时间常数，M为直线感应电机的动子质量，τ为直线感应电机的极距，p1为磁链观测器的带宽，p2为速度观测器的带宽，Ts为微控制器的采样控制周期，
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(5)中得到的q轴电流的参考值为：其中，ks为速度控制增益。
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