CN107968608B - 一种感应电机的无源性控制器及控制方法 - Google Patents

一种感应电机的无源性控制器及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种感应电机的无源性控制器，包括信号变换模块，用于将采集自感应电机的三相静止电流信号变换为二相静止电流信号；转子电流降维观测单元，从信号变换模块获得二相静止电流信号后估算出转子电流；自适应转速估算单元，从信号变换模块获得二相静止电流信号后估算出转子转速；期望电流估算单元，从自适应转速估算单元获得转子转速后计算出期望电流；EL模型控制单元，从信号变换模块获得二相静止电流信号、从转子电流降维观测单元获得转子电流、从自适应转速估算单元获得转子转速以及从期望电流估算电源获得期望电流，然后生成SVPWM调制信号。本发明通过降维观测来降低计算量，并且无需安装转速传感器，节约成本，同时控制效果好。

Description

一种感应电机的无源性控制器及控制方法
技术领域
本发明涉及感应电机领域，具体的说是一种感应电机的无源性控制器及控制方法。
背景技术
基于感应电机EL模型的无源性控制是一种利用能量交换和耗散特性进行控制器设计的新方法，其控制精度主要取决于Ud，Uq估算的准确性。而Ud，Uq估算又依赖转子电流和实际转速，但是转子电流在实际应用中难以直接测得，需要对其进行估算。现有技术中对转子电流的估算多采用以定子电流和转子转速为状态变量进行估算，这种传统的估算方法虽然符合感应电机无源性控制结构简单、物理意义明确的优点，但是存在许多不足，一是转子转速不容易测量，现有技术大都是采用设置转速传感器的方式来进行测量，但是因为电机工况复杂，转速传感器的设置方式也需要准确计算，非常复杂，而且也增加了材料成本，同时，对定子电流的测量需要测量三相电流信号，三个电流信号会导致计算量的大大增加，而且不易实现。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种感应电机的无源性控制器及控制方法，通过降维观测来降低计算量，并且无需安装转速传感器，节约成本，同时转速响应效果和稳定性都良好，能够达到感应电机对高性能控制的要求。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种感应电机的无源性控制器，包括SVPWM调制信号输出模块和变频器，SVPWM调制信号输出模块通过变频器与感应电机相连接，所述控制器还包括：信号变换模块，用于将采集自感应电机的三相静止电流信号变换为二相静止电流信号；转子电流降维观测单元，从信号变换模块获得二相静止电流信号后估算出转子电流；自适应转速估算单元，从信号变换模块获得二相静止电流信号后估算出转子转速；期望电流估算单元，从自适应转速估算单元获得转子转速后计算出期望电流；EL模型控制单元，从信号变换模块获得二相静止电流信号、从转子电流降维观测单元获得转子电流、从自适应转速估算单元获得转子转速以及从期望电流估算电源获得期望电流，然后生成SVPWM调制信号并通过SVPWM调制信号输出模块传输给变频器。
优选地，所述信号变换模块为3s/2s变换模块。
优选地，所述转子电流降维观测单元包括2s/2r变换模块和转子电流估算模块，其中转子电流估算模块从所述信号变换模块获得二相静止电流信号后估算出转子电流，转子电流通过2s/2r变换模块传输给所述EL模型控制单元。
优选地，所述自适应转速估算单元包括转子磁链计算模块、定子电流估算模块和PI控制器，其中转子磁链计算模块从所述信号变换模块获得二相静止电流信号后计算出转子磁链，定子电流估算模块从转子磁链估算模块获得转子磁链后估算出定子电流，PI控制器从定子电流估算模块获得定子电流以及从信号变换模块获取二相静止电流信号后计算出转子转速，并将转子转速传输给所述期望电流估算单元。
优选地，所述期望电流估算单元包括转速控制器和期望电流计算模块，其中转速控制器从所述自适应转速估算单元获得转子转速后与期望转速相结合计算期望转矩，期望电流计算模块从转速控制器获得期望转矩与期望磁链相结合计算出期望电流。
优选地，所述EL模型控制单元包括EL控制器和旋转角速度计算模块，其中EL控制器从信号变换模块获得二相静止电流信号、从转子电流降维观测单元获得转子电流、从自适应转速估算单元获得转子转速以及从期望电流估算电源获得期望电流并输出电压控制信号和转速控制信号，电压控制信号传输给所述SVPWM调制信号输出模块，转速控制信号通过旋转角速度计算模块传输给SVPWM调制信号输出模块。
一种感应电机的无源性控制器的控制方法，具体步骤包括：步骤1、对感应电机的三相静止电流进行检测，得到一步检测信号；步骤2、对一步检测信号进行调理，得到二步检测信号，并将二步检测信号传输给信号变换模块；步骤3、信号变换模块对二步检测信号进行3s/2s变换，得到二相静止电流信号；步骤4.1、转子电流降维观测单元根据二相静止电流信号对转子电流进行估算；步骤4.2、自适应转速估算单元根据二相静止电流信号对转子转速进行自适应计算；步骤4.3、期望电流估算单元计算出期望电流；步骤5、EL模型控制单元根据二相静止电流信号、转子电流、转子转速和期望电流生成SVPWM调制信号并通过SVPWM调制信号输出模块传输给变频器；步骤6、变频器根据SVPWM调制信号对感应电机进行控制。
优选地，所述步骤4.2的具体过程包括：步骤4.21、自适应转速估算单元根据二相静止电流信号对转子磁链进行计算；步骤4.22、自适应转速估算单元根据转子磁链对定子电流进行计算；步骤4.23、自适应转速估算单元根据定子电流和转子磁链对转子转速进行自适应计算。
有益效果：本发明的提供了一种感应电机的无源性控制器及控制方法，转子电流、转速和磁链估算值与实际值误差均较小，当应用于感应电机EL模型控制系统时，转速响应效果显示实际转速能够较快达到期望值；实际磁链和转矩在增加负载后，稳态性能表现良好；能够达到感应电机对高性能控制的要求。
附图说明
图1是本发明的控制器的模块图；
图2是本发明的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和2，图1是本发明的控制器的模块图，图2是本发明的控制方法的流程图。
一种感应电机的无源性控制器，包括SVPWM调制信号输出模块和变频器，SVPWM调制信号输出模块通过变频器与感应电机相连接，控制器还包括信号变换模块、转子电流降维观测单元、自适应转速估算单元、期望电流估算单元和EL模型控制单元。
信号变换模块，用于将采集自感应电机的三相静止电流信号变换为二相静止电流信号，信号变化模块设置为3s/2s变换模块。
转子电流降维观测单元，从信号变换模块获得二相静止电流信号后估算出转子电流。转子电流降维观测单元包括2s/2r变换模块和转子电流估算模块，其中转子电流估算模块从信号变换模块获得二相静止电流信号后估算出转子电流，转子电流通过2s/2r变换模块传输给EL模型控制单元。
自适应转速估算单元，从信号变换模块获得二相静止电流信号后估算出转子转速。自适应转速估算单元包括转子磁链计算模块、定子电流估算模块和PI控制器，其中转子磁链计算模块从信号变换模块获得二相静止电流信号后计算出转子磁链，定子电流估算模块从转子磁链估算模块获得转子磁链后估算出定子电流，PI控制器从定子电流估算模块获得定子电流以及从信号变换模块获取二相静止电流信号和转子磁链后计算出转子转速，并将转子转速传输给期望电流估算单元。
期望电流估算单元，从自适应转速估算单元获得转子转速后计算出期望电流。期望电流估算单元包括转速控制器和期望电流计算模块，其中转速控制器从自适应转速估算单元获得转子转速后与期望转速相结合计算期望转矩，期望电流计算模块从转速控制器获得期望转矩与期望磁链相结合计算出期望电流，其中期望磁链是已知的确定值。
EL模型控制单元，从信号变换模块获得二相静止电流信号、从转子电流降维观测单元获得转子电流、从自适应转速估算单元获得转子转速以及从期望电流估算电源获得期望电流，然后生成SVPWM调制信号并通过SVPWM调制信号输出模块传输给变频器。EL模型控制单元包括EL控制器和旋转角速度计算模块，其中EL控制器从信号变换模块获得二相静止电流信号、从转子电流降维观测单元获得转子电流、从自适应转速估算单元获得转子转速以及从期望电流估算电源获得期望电流并输出电压控制信号和转速控制信号，电压控制信号传输给SVPWM调制信号输出模块，转速控制信号通过旋转角速度计算模块传输给SVPWM调制信号输出模块。
一种感应电机的无源性控制器的控制方法，包括步骤1～步骤6。
步骤1、对感应电机的三相静止电流进行检测，得到一步检测信号。
步骤2、对一步检测信号进行调理，得到二步检测信号ia、ib和ic，并将二步检测信号传输给信号变换模块。
步骤3、信号变换模块对二步检测信号ia、ib和ic进行3s/2s变换，得到二相静止电流信号isα和isβ。
步骤4.1、转子电流降维观测单元根据二相静止电流信号isα和isβ对转子电流进行估算，转子电流估算采用龙伯格法，降维观测方程为
Figure BDA0001533308360000041
以定子电流和转子电流为状态变量的感应电机空间表达式变换成矩阵形式有：
Figure BDA0001533308360000042
其中X＝[isα isβ irα irβ]T为系统状态变量，U＝[usαusβ]T为系统输入变量，并且有：
Figure BDA0001533308360000043
Figure BDA0001533308360000044
Y＝[isαisβ]T为系统输出变量，
Figure BDA0001533308360000045
和
Figure BDA0001533308360000046
为系统状态变量的微分，M＝A21X1+B2U，
Figure BDA0001533308360000047
A、B、C分别为系统的状态矩阵、输入矩阵和输出矩阵，
Figure BDA0001533308360000051
为观测增益矩阵，增益矩阵G中各元素的计算方法为
Figure BDA0001533308360000052
其中k为待定系数，σ＝1/LrLs-Lm 2，Ls为定子绕组的等效自感，Lr是转子绕组电感，Lm为定子绕组和转子绕组的等效互感，Rs和Rr分别是定子电阻和转子电阻，isα和isβ分别是定子电流在α轴和β轴的分量，irα和irβ分别是转子电流在α轴和β轴的分量，usα和usβ分别是定子电压在α轴和β轴上的分量，ωr为电机转速。
步骤4.2、自适应转速估算单元根据二相静止电流信号对转子转速进行自适应计算。
步骤4.21、自适应转速估算单元根据二相静止电流信号对转子磁链进行计算，根据二相静止电流信号isα和isβ，通过磁链电流模型
Figure BDA0001533308360000053
将电动机转子磁链重构出来，其中ψr是转子磁链，ψrα和ψrβ分别是转子磁链在α轴和β轴的分量，且有
Figure BDA0001533308360000054
步骤4.22、自适应转速估算单元根据转子磁链对定子电流进行计算，计算公式为感应电机定子电流公式
Figure BDA0001533308360000055
然后利用ψrα和ψrβ进行计算。
步骤4.23、自适应转速估算单元根据定子电流和转子磁链对转子转速进行自适应计算，具体的计算方法是根据上述的感应电机定子电流公式得到偏差方程
Figure BDA0001533308360000056
将偏差方程乘以ψrα和ψrβ然后相加、化简得
Figure BDA0001533308360000057
其中
Figure BDA0001533308360000058
Figure BDA0001533308360000059
为待测转子角速度；ρ是微分算子。
步骤4.3、期望电流估算单元计算出期望电流，具体的计算方法是根据感应电动机矢量控制的转子磁场定向原理和期望转矩，转子磁链ψr在d轴上的分量ψrd渐进的等于ψr*，在q轴上的分量ψrq渐进等于零，即
Figure BDA0001533308360000061
设ψr*为常值，令ird*＝0，由上式可得x*的各个分量如下公式所示
Figure BDA0001533308360000062
式中Te*为期望转矩。
步骤5、EL模型控制单元根据二相静止电流信号、转子电流、转子转速和期望电流生成SVPWM调制信号并通过SVPWM调制信号输出模块传输给变频器，具体方法为从感应电动机的Eluer-Lagrange方程入手，将电机控制系统分成两个串联的无源子系统，即电气和机械两个子系统，可得EL模型控制器如下：
Figure BDA0001533308360000063
其中
Figure BDA0001533308360000064
为待测转子角速度；ω1为d-q坐标系旋转角速度，Rs和Rr分别为电机定子和转子电阻；Ls和Lr分别为定子和转子绕组的等效自感；Lm为定子和转子绕组的等效互感。
步骤6、变频器根据SVPWM调制信号对感应电机进行控制。
本发明的提供了一种感应电机的无源性控制器及控制方法，通过对三相静止电流进行降维，使需要计算的电流信号从三个变成两个，实现降低计算复杂度的目的。而且通过对转子转速的自适应估算，省略了转速传感器，降低了电机设计的复杂程度，节约了材料成本。同时控制效果良好，一是最终得到的转子电流、转速和磁链估算值与实际值误差均较小，当应用于感应电机EL模型控制系统时，转速响应效果显示实际转速能够较快达到期望值，二是实际磁链和转矩在增加负载后，稳态性能表现良好，能够满足感应电机对高性能控制的要求。
还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种感应电机的无源性控制器，包括SVPWM调制信号输出模块和变频器，SVPWM调制信号输出模块通过变频器与感应电机相连接，其特征在于：所述控制器还包括：
信号变换模块，用于将采集自感应电机的三相静止电流信号变换为二相静止电流信号；
转子电流降维观测单元，从信号变换模块获得二相静止电流信号后估算出转子电流；
自适应转速估算单元，从信号变换模块获得二相静止电流信号后估算出转子转速；
所述自适应转速估算单元包括转子磁链计算模块、定子电流估算模块和PI控制器，其中转子磁链计算模块从所述信号变换模块获得二相静止电流信号后计算出转子磁链，定子电流估算模块从转子磁链计算模块获得转子磁链后估算出定子电流，PI控制器从定子电流估算模块获得定子电流以及从信号变换模块获取二相静止电流信号后计算出转子转速，并将转子转速传输给期望电流估算单元；
期望电流估算单元，从自适应转速估算单元获得转子转速后计算出期望电流；
EL模型控制单元，从信号变换模块获得二相静止电流信号、从转子电流降维观测单元获得转子电流、从自适应转速估算单元获得转子转速以及从期望电流估算单元获得期望电流，然后生成SVPWM调制信号并通过SVPWM调制信号输出模块传输给变频器。
2.如权利要求1所述的一种感应电机的无源性控制器，其特征在于：所述信号变换模块为3s/2s变换模块。
3.如权利要求1所述的一种感应电机的无源性控制器，其特征在于：所述转子电流降维观测单元包括2s/2r变换模块和转子电流估算模块，其中转子电流估算模块从所述信号变换模块获得二相静止电流信号后估算出转子电流，转子电流通过2s/2r变换模块传输给所述EL模型控制单元。
4.如权利要求1所述的一种感应电机的无源性控制器，其特征在于：所述期望电流估算单元包括转速控制器和期望电流计算模块，其中转速控制器从所述自适应转速估算单元获得转子转速后与期望转速相结合计算期望转矩，期望电流计算模块从转速控制器获得期望转矩与期望磁链相结合计算出期望电流。
5.如权利要求1所述的一种感应电机的无源性控制器，其特征在于：所述EL模型控制单元包括EL控制器、2r/2s变换模块和旋转角速度计算模块，其中EL控制器从信号变换模块获得二相静止电流信号、从转子电流降维观测单元获得转子电流、从自适应转速估算单元获得转子转速以及从期望电流估算单元获得期望电流并输出电压控制信号和转速控制信号，电压控制信号传输给所述SVPWM调制信号输出模块，转速控制信号通过旋转角速度计算模块传输给SVPWM调制信号输出模块。
6.如权利要求1所述的一种感应电机的无源性控制器的控制方法，其特征在于：具体步骤包括：
步骤1、对感应电机的三相静止电流进行检测，得到一步检测信号；
步骤2、对一步检测信号进行调理，得到二步检测信号，并将二步检测信号传输给信号变换模块；
步骤3、信号变换模块对二步检测信号进行3s/2s变换，得到二相静止电流信号；
步骤4.1、转子电流降维观测单元根据二相静止电流信号对转子电流进行估算；
步骤4.2、自适应转速估算单元根据二相静止电流信号对转子转速进行自适应计算；
步骤4.3、期望电流估算单元计算出期望电流；
步骤5、EL模型控制单元根据二相静止电流信号、转子电流、转子转速和期望电流生成SVPWM调制信号并通过SVPWM调制信号输出模块传输给变频器；
步骤6、变频器根据SVPWM调制信号对感应电机进行控制。
7.如权利要求6所述的一种感应电机的无源性控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤4.2的具体过程包括：
步骤4.21、自适应转速估算单元根据二相静止电流信号对转子磁链进行计算；
步骤4.22、自适应转速估算单元根据转子磁链对定子电流进行计算；
步骤4.23、自适应转速估算单元根据定子电流和转子磁链对转子转速进行自适应计算。
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感应电机全阶状态观测器及其无源性转速控制;郭宁等;《电机与控制应用》;20070930;第44卷(第9期);第77-83页 *

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