CN108063573A - 基于直流偏置双闭环补偿的改进电压模型磁链观测方法 - Google Patents
基于直流偏置双闭环补偿的改进电压模型磁链观测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于直流偏置双闭环补偿的改进电压模型磁链观测方法，该方法根据采集并运算得到的静止坐标系下的异步电机定子反感应电动势和定子角频率，先计算得到定子反感应电动势esa、esβ；然后由定子反感应电动势esα、esβ分别与第一组补偿量csα1、csβ1相减得积分补偿输出量xsα、xsβ，再将积分补偿输出量xsa、xsβ分别与第二组补偿量csα2、csβ2相减得到比例补偿输出量ysα、ysβ，最后根据得到的比例补偿输出量ysα、ysβ，经过纯积分器分别得到电机估计的α轴定子磁链估计的β轴定子磁链本发明方案具有如下优点：1、兼顾磁链观测的速度和精度；2、结构简单，易于工程实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁链观测器，具体地说是一种基于直流偏置双闭环补偿的改进电压模型磁链观测方法。
背景技术
磁链的准确观测一直异步电机高性能控制的重点和难点课题。基于电压纯积分的磁链观测方案，因其结构简单、不需要速度信号等优点而受到人们青睐。但是电压模型固有的纯积分问题降低了磁链观测的精度。根据稳态情况下纯积分器的交流输入和输出应满足正交关系这一原理，国内外学者提出了相应改进方案以提高磁链观测精度，进而提高电机控制性能。
1998年IEEE文献“New integration algorithms for estimating motor fluxover a wide speed range”(“基于新型积分算法的宽速范围电机磁链估计方案”——1998年IEEE电力电子期刊)，提出一种基于定子反电动势和估计定子磁链正交性的自适应补偿方案。虽然该方案可以有效提高磁链观测精度，但是在方案实现中需要引入直角坐标系与极坐标之间的变换等运算环节，这使得系统设计变得复杂。
题为“基于反电动势与磁链正交性的异步电机电压模型积分改进算法”(张杰，柴建云等，电工技术学报，2014年第29卷第3期41-49页)的文章，提出一个基于积分器输入输出正交性的改进电压模型。虽然该方法可以完全消除直流偏置问题，但是该方法的磁链观测速度有待提高。
2015年IEEE文献“Improved stator flux estimator for speed sensorlessinduction motor drives”(“基于改进磁链观测器的异步电机无速度控制”——2015年IEEE电力电子期刊)，提出一种基于定子反电动势和估计定子磁链正交性的前馈补偿方案。虽然该方案可以有效提高磁链观测速度，但是该方案无法完全消除估计磁链中的直流偏置。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有基于积分器输入输出正交性的改进电压模型磁链观测方法的不足，提出一种易于工程实现且兼顾磁链观测速度和精度的改进方案，即基于直流偏置双闭环补偿的改进电压模型磁链观测方法。本发明首先采集异步电机的定子频率ωe，静止αβ坐标系下的定子电压usα、usβ和定子电流isα、isβ，在计算得到定子反电动势后，经过两次补偿运算，然后再经过纯积分器得到估计定子磁链。
本发明的技术方案按照以下步骤实现。
步骤1：采集异步电机的定子频率ωe，静止αβ坐标系下的定子电压分量usα、usβ和定子电流分量isα、isβ，根据公式(1)计算得到定子反感应电动势esa、esβ；
其中Rs为定子电阻；
步骤2：根据步骤1中得到的定子反感应电动势esα、esβ，分别与第一组补偿量csα1、csβ1相减得积分补偿输出量xsα、xsβ，其表达式如下：
步骤3：根据步骤2得到的积分补偿输出量xsa、xsβ，分别与第二组补偿量csα2、csβ2相减得到比例补偿输出量ysα、ysβ，其表达式如下：
步骤4：根据步骤3得到的比例补偿输出量ysα、ysβ，经过纯积分器分别得到电机估计的α轴定子磁链估计的β轴定子磁链
优选地，步骤1所述异步电机静止αβ坐标系下的定子电压分量usα、usβ的采集方式包括以下两种：
第一种，采样得到实时异步电机线电压Uab、Ubc，经过公式(4)计算得到静止αβ坐标系下的定子电压分量usα、usβ：
第二种，直接采用电机控制器运算单元计算出逆变器调制电压来获得静止αβ坐标系下的定子电压分量usα、usβ。
优选地，步骤1所述异步电机静止αβ坐标系下的定子电流分量isα、isβ的采集步骤如下：
1)采样得到异步电机三相定子电流isa、isb、isc；
2)根据公式(5)计算得到异步电机αβ静止坐标系下的定子电流分量isα、isβ：
优选地，步骤2所述第一组补偿量csα1、csβ1的计算式为：
其中ki为积分系数，分别为上一周期估计得到的α轴定子磁链和β轴定子磁链，xsαz、xsβz分别为上一周期计算得到的α轴积分补偿输出量和β轴积分补偿输出量，s为拉普拉斯算子，||代表绝对值计算，sgn()为符号函数。
优选地，步骤3所述第二组补偿量csα2、csβ2的计算式为：
其中kp为比例系数，分别为上一周期得到的α轴和β轴定子磁链，||代表绝对值计算，sgn()为符号函数。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、与基于积分器输入输出正交性的磁链观测方案相比，本发明在全频率运行区间内都有更快的动态响应速度；
2、与基于定子反电动势和估计定子磁链正交性的磁链观测方案相比，本发明可以完全消除直流偏置问题；
3、该算法结构简单，易于工程实现。
附图说明
图1为本发明提出算法的实现框图；
图2为电机定子频率变化图；
图3为电机定子频率按图2变化时，本发明方案和传统方案A的估计定子磁链的αβ轴误差对比波形。
图4为电机定子频率按图2变化时，本发明方案和传统方案B的估计定子磁链的αβ轴误差对比波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细的描述。
图1为本发明提出算法的实现框图。由该图可见，本发明实施例的步骤如下。
步骤1：采集异步电机的定子频率ωe，静止αβ坐标系下的定子电压分量usα、usβ和定子电流分量isα、isβ，根据公式(1)计算得到定子反感应电动势esa、esβ；
其中Rs为定子电阻。
所述异步电机静止αβ坐标系下的定子电压分量usα、usβ的采集方式包括以下两种：
第一种，采样得到实时异步电机线电压Uab、Ubc，经过公式(4)计算得到静止αβ坐标系下的定子电压分量usα、usβ：
具体的，在过程中，首先利用霍尔电压传感器采样定子A、B两相之间的线电压和定子B、C两相之间的线电压，然后输入带有滤波器功能的采样调理电路，实现电压信号的采样，获得实时异步电机线电压Uab、Ubc，最后在数字信号处理芯片中通过编程对获得的实时异步电机线电压Uab、Ubc，进行如式(4)所示的坐标变换，计算得到异步电机静止αβ坐标系下的定子电流usα、usβ。
第二种，直接采用电机控制器运算单元计算出逆变器调制电压来获得静止αβ坐标系下的定子电压分量usα、usβ。
所述异步电机静止αβ坐标系下的定子电流分量isα、isβ的采集步骤如下：
1)利用霍尔电流传感器采样得到异步电机三相定子电流isa、isb、isc；
2)将采集的数据输入电流采样通道，在数字信号处理芯片中通过编程对获得的异步电机三相定子电流isa、isb、isc，根据公式(5)计算得到异步电机αβ静止坐标系下的定子电流分量isα、isβ：
步骤2：根据步骤1中得到的定子反感应电动势esα、esβ，分别与第一组补偿量csα1、csβ1相减得积分补偿输出量xsα、xsβ：
所述第一组补偿量csα1、csβ1的计算式为：
其中ki为积分系数，分别为上一周期估计得到的α轴定子磁链和β轴定子磁链，xsαz、xsβz分别为上一周期计算得到的α轴积分补偿输出量和β轴积分补偿输出量，s为拉普拉斯算子，||代表绝对值计算，sgn()为符号函数。
步骤3：根据步骤2得到的积分补偿输出量xsa、xsβ，分别与第二组补偿量csα2、csβ2相减得到比例补偿输出量ysα、ysβ：
所述第二组补偿量csα2、csβ2的计算式为：
其中kp为比例系数。
步骤4：根据步骤3得到的比例补偿输出量ysa、ysβ，经过纯积分器分别得到电机估计的α轴定子磁链估计的β轴定子磁链
本实施例仿真电机参数：额定功率10kW，额定电压220V，额定电流32A，定子电阻0.076Ω，极对数2，额定频率100Hz，二个系数给定值为：
当电机定子频率按照图2变化时，图3给出了本发明方案和传统方案A估计定子磁链的αβ轴误差对比波形，图4给出了本发明方案和传统方案B估计定子磁链的αβ轴误差对比波形，其中磁链误差值由估计定子磁链减去仿真中电机模型输出的参考磁链获取。
从图3和4可以看出：本发明提出的方案在电机高、低频运行点都可以实现定子磁链的准确估计，同时具有较好的动态响应过程。传统方案A为题为“基于反电动势与磁链正交性的异步电机电压模型积分改进算法”(张杰，柴建云等，电工技术学报，2014年第29卷第3期41-49页)的文章提出的基于积分器输入输出正交性的改进电压模型。传统方案B为2015年IEEE文献“Improved stator flux estimator for speed sensorless inductionmotor drives”(“基于改进磁链观测器的异步电机无速度控制”——2015年IEEE电力电子期刊)，提出的一种基于定子反电动势和估计定子磁链正交性的前馈补偿方案。
Claims (5)
1.一种基于直流偏置双闭环补偿的改进电压模型磁链观测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采集异步电机的定子频率ωe，静止αβ坐标系下的定子电压分量usα、usβ和定子电流分量isα、isβ，根据公式(1)计算得到定子反感应电动势esa、esβ；
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其中Rs为定子电阻；
步骤2：根据步骤1中得到的定子反感应电动势esα、esβ，分别与第一组补偿量csα1、csβ1相减得积分补偿输出量xsα、xsβ，其表达式如下：
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步骤3：根据步骤2得到的积分补偿输出量xsa、xsβ，分别与第二组补偿量csα2、csβ2相减得到比例补偿输出量ysα、ysβ，其表达式如下：
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步骤4：根据步骤3得到的比例补偿输出量ysα、ysβ，经过纯积分器分别得到电机估计的α轴定子磁链估计的β轴定子磁链
2.根据权利要求1所述的一种基于直流偏置双闭环补偿的改进电压模型磁链观测方法，其特征在于，步骤1所述异步电机静止αβ坐标系下的定子电压分量usα、usβ的采集方式包括以下两种：
第一种，采样得到实时异步电机线电压Uab、Ubc，经过公式(4)计算得到静止αβ坐标系下的定子电压分量usα、usβ：
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第二种，直接采用电机控制器运算单元计算出逆变器调制电压来获得静止αβ坐标系下的定子电压分量usα、usβ。
3.根据权利要求1所述的一种基于直流偏置双闭环补偿的改进电压模型磁链观测方法，其特征在于，步骤1所述异步电机静止αβ坐标系下的定子电流分量isα、isβ的采集步骤如下：
1)采样得到异步电机三相定子电流isa、isb、isc；
2)根据公式(5)计算得到异步电机αβ静止坐标系下的定子电流分量isα、isβ：
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4.根据权利要求1所述的一种基于直流偏置双闭环补偿的改进电压模型磁链观测方法，其特征在于，步骤2所述第一组补偿量csα1、csβ1的计算式为：
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其中ki为积分系数，分别为上一周期估计得到的α轴定子磁链和β轴定子磁链，xsαz、xsβz分别为上一周期计算得到的α轴积分补偿输出量和β轴积分补偿输出量，s为拉普拉斯算子，||代表绝对值计算，sgn()为符号函数。
5.根据权利要求1所述的一种基于直流偏置双闭环补偿的改进电压模型磁链观测方法，其特征在于，步骤3所述第二组补偿量csα2、csβ2的计算式为：
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其中kp为比例系数，分别为上一周期得到的α轴定子磁链和β轴定子磁链，||代表绝对值计算，sgn()为符号函数。
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