CN108075704B - 电压模型定子磁链估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新颖的改进电压模型定子磁链估计方法。该估计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，然后经过直流偏置消除模块得到不含直流量的定子反感应电动势y_sα、y_sβ；最后通过磁链计算模块得到估计的α轴定子磁链估计的β轴定子磁链相对于传统的技术方案，本发明方案具有如下优点：1、消除电压模型磁链观测器的直流偏置和稳态误差问题；2、磁链估计的动态响应速度较快。

Description

电压模型定子磁链估计方法

技术领域

本发明涉及一种磁链观测器，具体说是一种新颖的改进电压模型定子磁链估计方法。

背景技术

异步电机磁链的准确观测一直是电机高性能控制的关键课题。利用观测磁链可以实现电机速度、转矩等参数的估计，进而实现电机无速度、转矩闭环控制。基于电压纯积分的磁链观测方案，因其结构简单、易于实现等优点而受到人们青睐。然而在实际应用中，电压模型固有的纯积分问题限制了磁链观测的精度。针对这一问题，国内外学者提出了一系列改进方案。

题为“定子磁链观测器低通滤波器的改进”(何志明，廖勇，向大为，中国电机工程学报，2008年第28卷第18期61-65页)的文章提出一种基于补偿加低通滤波器的方案。该方法虽然可以有效提高磁链观测速度，但是无法完全消除估计磁链中的直流偏置。2015年IEEE文献“Improved stator flux estimator for speed sensorless induction motordrives”(“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)，提出一种变低通滤波器截止频率的改进方案。该方法虽然可以进一步提高磁链观测速度、降低估计磁链中的高频噪声，但是仍然无法完全消除估计磁链中的直流偏置。题为“一种能消除直流偏置和稳态误差的电压型磁链观测器”(张星，瞿文龙，陆海峰，电工电能新技术，2006年第25卷第1期39-43页)的文章提出一种带通滤波器串联补偿网络的方案。虽然该方案可以消除积分初值与直流漂移问题，但是该方案磁链观测的动态响应速度仍然有待提升。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有改进电压模型磁链观测方法无法兼顾磁链观测速度和精度的问题，提出一种新颖的改进方案。本发明首先采集异步电机的定子频率ω_e，静止αβ坐标系下的定子电压u_sα、u_sβ和定子电流i_sα、i_sβ，在计算得到定子反电动势后，依次经过直流偏置消除模块、磁链计算模块，最终实现定子磁链的准确观测。

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ω_e，静止αβ坐标系下的定子电压分量u_sα、u_sβ和静止αβ坐标系下的定子电流分量i_sα、i_sβ，根据公式(1)计算得到定子反感应电动势e_sa、e_sβ；

其中R_s为定子电阻；

步骤2：根据步骤1得到的定子反感应电动势e_sa、e_sβ，经过直流偏置消除模块得到不含直流量的定子反感应电动势y_sα、y_sβ；

所述直流偏置消除模块，包括一个补偿网络计算方程和一个高通滤波器计算方程，其表达式分别为：

补偿网络计算方程：

高通滤波器计算方程：

其中c_α、c_β为中间变量，k_H为高通滤波器补偿系数，y_sα、y_sβ为不含直流量的定子反感应电动势，y_sα、y_sβ即直流偏置消除模块的输出，||代表绝对值运算，s为拉普拉斯算子，sgn()为符号函数；

步骤3：根据步骤2得到的不含直流量的定子反感应电动势y_sα、y_sβ，通过磁链计算模块得到估计的α轴定子磁链估计的β轴定子磁链

所述磁链计算模块，包括一个补偿网络计算方程和一个低通滤波器计算方程，其表达式分别为：

补偿网络计算方程：

低通滤波器计算方程：

其中d_α、d_β为中间变量，k_L为低通滤波器补偿系数，||代表绝对值运算，s为拉普拉斯算子，sgn()为符号函数。

优选地，步骤1中所述静止αβ坐标系下的定子电压分量u_sα、u_sβ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U_ab、U_bc，经过公式(2)计算得到静止αβ坐标系下的定子电压分量u_sα、u_sβ：

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u_sα、u_sβ。

优选地，步骤1中所述静止αβ坐标系下的定子电流分量i_sα、i_sβ的采集步骤如下：

1)采样得到异步电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc；

2)根据公式(3)计算得到异步电机静止αβ坐标系下的定子电流i_sα、i_sβ：

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、与基于低通滤波器的改进电压模型相比，本发明可以完全消除估计磁链中的直流偏置。

2、与基于带通滤波器的改进电压模型相比，本发明可以提高磁链观测动态响应速度。

附图说明

图1为本发明执行的流程图；

图2为本发明提出算法的实现框图；

图3为电机定子频率变化图；

图4为电机定子频率按图3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5为电机定子频率按图3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为本发明执行的流程图，图2为本发明提出算法的实现框图，由图1、图2所示，本发明实施例包括以下步骤：

步骤1：采集异步电机的定子频率ω_e，静止αβ坐标系下的定子电压分量u_sα、u_sβ和静止αβ坐标系下的定子电流分量i_sα、i_sβ，根据公式(1)计算得到定子反感应电动势e_sa、e_sβ；

其中R_s为定子电阻。

所述静止αβ坐标系下的定子电压分量u_sα、u_sβ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U_ab,U_bc,经过公式(2)计算得到静止αβ坐标系下的定子电压分量u_sα、u_sβ：

具体的，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U_ab、U_bc，并在数字信号处理芯片中通过编程对获得的定子电压信号U_ab和U_bc进行如公式(2)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u_sα、u_sβ。

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u_sα、u_sβ。

所述静止αβ坐标系下的定子电流分量i_sα、i_sβ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i_sa、i_sb、i_sc；

2)将异步电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc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电机三相电流i_sa、i_sb、i_sc，根据公式(3)计算得到异步电机静止αβ坐标系下的定子电流i_sα、i_sβ：

步骤2：根据步骤1得到的定子反感应电动势e_sa、e_sβ，经过直流偏置消除模块得到不含直流量的定子反感应电动势y_sα、y_sβ。

所述直流偏置消除模块，包括一个补偿网络计算方程和一个高通滤波器计算方程，其表达式分别为：

补偿网络计算方程：

高通滤波器计算方程：

其中c_α、c_β为中间变量，k_H为高通滤波器补偿系数，y_sα、y_sβ为不含直流量的定子反感应电动势，y_sα、y_sβ即直流偏置消除模块的输出，||代表绝对值运算，s为拉普拉斯算子，sgn()为符号函数。

步骤3：根据步骤2得到的不含直流量的定子反感应电动势y_sα、y_sβ，通过磁链计算模块得到估计的α轴定子磁链估计的β轴定子磁链

所述磁链计算模块，包括一个补偿网络计算方程和一个低通滤波器计算方程，其表达式分别为：

补偿网络计算方程：

低通滤波器计算方程：

其中d_α、d_β为中间变量，k_L为低通滤波器补偿系数，||代表绝对值运算，s为拉普拉斯算子，sgn()为符号函数。

本实施例中的仿真电机参数：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，高通滤波器补偿系数k_H和低通滤波器补偿系数k_L分别为：

k_L＝10k_H (9)

当电机定子频率按照图3变化时，图4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5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4和5可以看出：本发明提出的方案在电机全频率区间内都可以实现定子磁链的准确估计，同时在定子频率变化时，本发明方案具有更快的磁链观测速度。传统方案A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)提出的一种可变截止频率的低通滤波器方案。传统方案B为题为“一种能消除直流偏置和稳态误差的电压型磁链观测器”(张星，瞿文龙，陆海峰，电工电能新技术，2006年第25卷第1期39-43页)的文章提出一种带通滤波器串联补偿网络的方案。

Claims (3)

1.一种电压模型定子磁链估计方法，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ω_e，静止αβ坐标系下的定子电压分量u_sα、u_sβ和静止αβ坐标系下的定子电流分量i_sα、i_sβ，根据公式(1)计算得到定子反感应电动势e_sa、e_sβ；

其中R_s为定子电阻；

步骤2：根据步骤1得到的定子反感应电动势e_sa、e_sβ，经过直流偏置消除模块得到不含直流量的定子反感应电动势y_sα、y_sβ；

所述直流偏置消除模块，包括一个补偿网络计算方程和一个高通滤波器计算方程，其表达式分别为：

补偿网络计算方程：

高通滤波器计算方程：

其中c_α、c_β为中间变量，k_H为高通滤波器补偿系数，y_sα、y_sβ为不含直流量的定子反感应电动势，y_sα、y_sβ即直流偏置消除模块的输出，||代表绝对值运算，s为拉普拉斯算子，sgn()为符号函数；

步骤3：根据步骤2得到的不含直流量的定子反感应电动势y_sα、y_sβ，通过磁链计算模块得到估计的α轴定子磁链估计的β轴定子磁链

所述磁链计算模块，包括一个补偿网络计算方程和一个低通滤波器计算方程，其表达式分别为：

补偿网络计算方程：

低通滤波器计算方程：

其中d_α、d_β为中间变量，k_L为低通滤波器补偿系数，||代表绝对值运算，s为拉普拉斯算子，sgn()为符号函数。

2.根据权利要求1所述的一种电压模型定子磁链估计方法，其特征在于，步骤1中所述静止αβ坐标系下的定子电压分量u_sα、u_sβ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U_ab、U_bc，经过公式(2)计算得到静止αβ坐标系下的定子电压分量u_sα、u_sβ：

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u_sα、u_sβ。

3.根据权利要求1所述的一种电压模型定子磁链估计方法，其特征在于，步骤1中所述静止αβ坐标系下的定子电流分量i_sα、i_sβ的采集步骤如下：

1)采样得到异步电机三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc；

2)根据公式(3)计算得到异步电机静止αβ坐标系下的定子电流i_sα、i_sβ：