CN108233808A - 异步电机低速性能改善方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种异步电机低速性能改善方法及系统，通过以电机的定子磁链ψ_s和定子电流i_s为状态变量，构建异步电机状态方程，利用现代控制理论中的状态估计和状态反馈，以及异步电机的状态方程构建转速自适应磁链观测器，根据李雅普诺夫稳定性定律推导出转速自适应律。因为电机转子磁链的真实值无法获取，因此传统的转速自适应律将转子磁链值忽略不计，但是电机在低速运行时，会引入较大的误差，导致系统不稳定。为解决上述问题，需要对转速自适应律进行改进，本发明引入一个补偿量，使自适应磁链观测器在电机低速时也能够稳定运行。

Description

异步电机低速性能改善方法及系统

技术领域

本发明涉及一种异步电机低速性能改善方法及系统。

背景技术

目前随着科学技术的不断反战，交流调速理论不断完善并且成为了主要调速方式。其中较为实用的交流调速控制方法有：转速开环恒压频比控制、转速闭环转差频率控制、矢量控制与直接转矩控制等。其中矢量控制在异步电机高性能调速场合应用最为广泛。要实现异步电机的高性能调速控制，不仅需要进行磁链观测，还需要准确的转速信息。一般是通过安装速度编码器来获取转速信息，但是因为一些环境下存在着高温、粉尘等易燃易爆物质，一些场所编码器的安装是不被允许的，因此研究无速度传感器矢量控制技术存在实际的意义。

异步电机闭环观测控制系统常采用的有以下几种：模型参考自适应控制系统、基于扩展卡尔曼滤波器控制系统、转速自适应观测器控制系统等。

其中转速自适应全阶观测器受到了广泛的关注。该观测器是根据电流误差从而估算出磁链估计值和转子转速。自适应全阶观测主要有三个部分组成：状态观测器、转速自适应观测器、感应电机。其中，状态观测器是通过状态反馈对电机磁链进行闭环控制，观测精度高，对反馈增益矩阵进行合理的设计，可以加快估计误差的收敛速率。转速自适应观测器采用转速自适应算法对电机转速进行识别。可以获得很好的动态性能和调速范围。

传统的转速自适应律是在电机观测器的基础上，利用李亚普诺夫稳定性理论推导得出的。推导过程中，因为无法获得电机转子磁链的真实值值，因此忽略了电机转子磁链误差项。所以，传统的转速自适应律并不能保证系统的稳定性。在电机低速运行时，转速自适应观测器会发生不稳定的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异步电机低速性能改善方法及系统，能够解决在电机低速运行时，现有的转速自适应观测器发生不稳定的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种异步电机低速性能改善方法，包括：

选取以异步电机的定子电流和定子磁链为状态变量，建立异步电机在两相静止坐标下的状态方程；

以所述状态方程和现代控制理论中的状态估计和状态反馈为基础，构建转速自适应磁链观测器；

以李雅普诺夫稳定性定律为基础，通过自适应算法得出电机转速自适应律，进行转速估算，得到观测到的转速信息与磁链信息；

所述转速自适应磁链观测器将观测到的转速信息与磁链信息反馈给转速观测系统形成闭环控制。

进一步的，在上述方法中，所述状态方程为：

其中，式中：R_s—定子电阻；u_sd、u_sq—定子电压在d、q轴的电压分量；i_sd、i_sq—定子电流在d、q轴的电流分量；L_r、L_s、L_m—转子电感、定子电感及互感；ψ_sd、ψ_sq—定子磁链在d、q轴上的磁链分量；漏磁系数：σ＝1-L_m ²/L_sL_r；转子电磁时间常数：T_r＝L_r/R_r；ω₁是dq坐标轴相对于定子的旋转角速度；ω为转子角速度；n_p为极对数；J为转动惯量。

进一步的，在上述方法中，所述转速自适应磁链观测器为：

其中：上标“^”表示的为观测值；G为系统的误差反馈矩阵，它的作用是将定子电流的实际值与观测值进行比较，将得到的误差值反馈给所述自适应磁链观测器，以通过获得的相关信息进行转子磁链以及定子电流的估算。

进一步的，在上述方法中，所述电机转速自适应律为：

由于电机转子磁链真实值无法获取，所以忽略掉电机转子磁链误差值得到：

其中，k_p、k_i—pi可调节参数；

进一步的，在上述方法中，所述转速自适应磁链观测器将观测到的转速信息与磁链信息反馈给转速观测系统形成闭环控制，包括：

通过所述转速自适应磁链观测器估算出转子转速的估计值ω_r ^*与磁链的估计值ψ^* _r；

将观测到的转速信息ω_r与转速的估计值ω_r ^*进行作差，差值通过PI调节器后得出电流将观测到的磁链信息ψ_r与磁链的估计值ψ_r进行作差，差值通过PI调节器后得出电流

由三相异步电机检测出三相电流I_a、I_b、I_c，此三相电流经过Clark变换和PARK变换后得到的电流i_sq和电流i_sd；

分别将电流和与电流i_sq和i_sd进行作差，再通过PI调节器后得出电压和再经过反PARK变换得出αβ轴上的电压和通过空间矢量调制来产生PWM波形，从而控制异步电机。

根据本发明的另一面，提供一种异步电机低速性能改善系统，包括：

状态方程模块，用于选取以异步电机的定子电流和定子磁链为状态变量，建立异步电机在两相静止坐标下的状态方程；

观测器模块，用于以所述状态方程和现代控制理论中的状态估计和状态反馈为基础，构建转速自适应磁链观测器；

估算模块，用于以李雅普诺夫稳定性定律为基础，通过自适应算法得出电机转速自适应律，进行转速估算，得到观测到的转速信息与磁链信息；

控制模块所述转速自适应磁链观测器将观测到的转速信息与磁链信息反馈给转速观测系统形成闭环控制。

进一步的，在上述系统中，所述状态方程为：

其中，式中：R_s—定子电阻；u_sd、u_sq—定子电压在d、q轴的电压分量；i_sd、i_sq—定子电流在d、q轴的电流分量；L_r、L_s、L_m—转子电感、定子电感及互感；ψ_sd、ψ_sq—定子磁链在d、q轴上的磁链分量；漏磁系数：σ＝1-Lm²/L_sL_r；转子电磁时间常数：T_r＝L_r/R_r；ω₁是dq坐标轴相对于定子的旋转角速度；ω为转子角速度；n_p为极对数；J为转动惯量。

进一步的，在上述系统中，所述转速自适应磁链观测器为：

其中：上标“^”表示的为观测值；G为系统的误差反馈矩阵，它的作用是将定子电流的实际值与观测值进行比较，将得到的误差值反馈给所述自适应磁链观测器，以通过获得的相关信息进行转子磁链以及定子电流的估算。

进一步的，在上述系统中，所述电机转速自适应律为：

由于电机转子磁链真实值无法获取，所以忽略掉电机转子磁链误差值得到：

其中，k_p、k_i—pi可调节参数；

进一步的，在上述系统中，所述控制模块，用于通过所述转速自适应磁链观测器估算出转子转速的估计值ω_r ^*与磁链的估计值ψ^* _r；

将观测到的转速信息ω_r与转速的估计值ω_r ^*进行作差，差值通过PI调节器后得出电流将观测到的磁链信息ψ_r与磁链的估计值ψ_r进行作差，差值通过PI调节器后得出电流

由三相异步电机检测出三相电流I_a、I_b、I_c，此三相电流经过Clark变换和PARK变换后得到的电流i_sq和电流i_sd；

分别将电流和与电流i_sq和i_sd进行作差，再通过PI调节器后得出电压和再经过反PARK变换得出αβ轴上的电压和通过空间矢量调制来产生PWM波形，从而控制异步电机。

与现有技术相比，本发明通过选取以异步电机的定子电流和定子磁链为状态变量，建立异步电机在两相静止坐标下的状态方程；以所述状态方程和现代控制理论中的状态估计和状态反馈为基础，构建转速自适应磁链观测器；以李雅普诺夫稳定性定律为基础，通过自适应算法得出电机转速自适应律，进行转速估算，得到观测到的转速信息与磁链信息；所述转速自适应磁链观测器将观测到的转速信息与磁链信息反馈给转速观测系统形成闭环控制，从而保证系统能够稳定运行

附图说明

图1是本发明一实施例的转速自适应磁链观测器系统结构框图；

图2是传统电机转速观测系统模型图；

图3是本发明一实施例的改进的转速观测模型图；

图4是本发明一实施例的基于自适应磁链观测器的异步电机低速控制框图；

图5和图6通过图4仿真达到实验结果图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种异步电机低速性能改善方法，包括：

步骤S1，选取以异步电机的定子电流和定子磁链为状态变量，建立异步电机在两相静止坐标下的状态方程；

步骤S2，以所述状态方程和现代控制理论中的状态估计和状态反馈为基础，构建转速自适应磁链观测器；

步骤S3，以李雅普诺夫稳定性定律为基础，通过自适应算法得出电机转速自适应律，进行转速估算，得到观测到的转速信息与磁链信息；

步骤S4，所述转速自适应磁链观测器将观测到的转速信息与磁链信息反馈给转速观测系统形成闭环控制，从而保证系统能够稳定运行。

在此，通过异步电机状态方程以及现代控制理论构建转速自适应磁链观测器，然后通过转速自适应律可以辨识出新的转速ω。因为电机转子磁链的真实值无法获取，因此传统的转速自适应律将转子磁链值忽略不计，但是电机在低速运行时，会引入较大的误差，导致系统不稳定。为解决上述问题，需要对转速自适应律进行改进，本发明引入一个补偿量，提高低速度时候速度识别的精度，和抗负载扰动的能力，使自适应磁链观测器在电机低速时也能够稳定运行。

本发明的异步电机低速性能改善方法一实施例中，所述状态方程为：

其中，式中：R_s—定子电阻；u_sd、u_sq—定子电压在d、q轴的电压分量；i_sd、i_sq—定子电流在d、q轴的电流分量；L_r、L_s、L_m—转子电感、定子电感及互感；ψ_sd、ψ_sq—定子磁链在d、q轴上的磁链分量；漏磁系数：σ＝1-L_m ²/L_sL_r；转子电磁时间常数：T_r＝L_r/R_r；ω₁是dq坐标轴相对于定子的旋转角速度；ω为转子角速度；n_p为极对数；J为转动惯量。

本发明的异步电机低速性能改善方法一实施例中，步骤S2，所述转速自适应磁链观测器为：

其中：上标“^”表示的为观测值；G为系统的误差反馈矩阵，它的作用是将定子电流的实际值与观测值进行比较，将得到的误差值反馈给所述自适应磁链观测器，以通过获得的相关信息进行转子磁链以及定子电流的估算。

本发明的异步电机低速性能改善方法一实施例中，所述电机转速自适应律为：

由于电机转子磁链真实值无法获取，所以忽略掉电机转子磁链误差值得到：

其中，k_p、k_i—pi可调节参数；

本发明的异步电机低速性能改善方法一实施例中，步骤S4，所述转速自适应磁链观测器将观测到的转速信息与磁链信息反馈给转速观测系统形成闭环控制，包括：

通过所述转速自适应磁链观测器估算出转子转速的估计值ω_r ^*与磁链的估计值ψ^* _r；

将观测到的转速信息ω_r与转速的估计值ω_r ^*进行作差，差值通过PI调节器后得出电流将观测到的磁链信息ψ_r与磁链的估计值ψ^* _r进行作差，差值通过PI调节器后得出电流

由三相异步电机检测出三相电流I_a、I_b、I_c，此三相电流经过Clark变换和PARK变换后得到的电流i_sq和电流i_sd；

分别将电流和与电流i_sq和i_sd进行作差，再通过PI调节器后得出电压和再经过反PARK变换得出αβ轴上的电压和通过空间矢量调制来产生PWM波形，从而控制异步电机。

具体的，将公式(4)所表示的转速自适应律变换到dq坐标下：

根据公式5可以得到电流观测误差到转速观测观测值的传递函数为

通过对比公式4跟公式5可以看出，一般常用的电机转速观测法，仅与有关，而ε_ψ这一观测误差项则不加入到计算中。这样会导致观测器在低速运行时，得到的观测误差很大，而且在低速发电状态时，观测器不能够收敛，系统不能稳定运行。因此本发明设计了一种新的转速自适应律。

将公式3中的ε_ψ这一项进行展开：

有将其带入式(7)中

根据电机的转矩公式：

其中N_p为电机极对数。根据(9)从而整理可得下面的关系式：

将公式(10)带入公式(8)中整理得：

如前面所描述的整个系统采用的定向方式为三种定向方式其中的一种转子磁链定向，因此同时电机磁链的真实值是无法获取的，所以将电机真实磁链的q轴分量忽略不计，然后近似的认为ψ_rd＝L_mi_sd。所以公式(11)可以简化为：

将公式(12)带入公式(3)中：

其中；为的定子磁链被观测器观察到的在q轴上的分量；H为自适应系数。自适应系数H的选取关系到了系统在低速发电状态时是否能够稳定运行，因此H的选取十分的重要。将公式(13)转换到两相旋转坐标系下有：

从公式(14)可以看出，当与同时为0时，电机的转速十分的接近真实的转速值。

参照图1为转速自适应磁链观测器系统结构图，其中u_sα、u_sβ、i_sα、i_sβ为两相静止坐标系下的电压电流分量，G为系统的误差反馈矩阵，它的作用是将定子电流的实际值与观测值进行比较，将得到的误差值反馈给观测器模型，这样观就可以通过获得的相关信息进行转子磁链以及定子电流的估算。

图2为传统电机转速观测系统模型，图3为改进的转速观测模型。

图4为基于自适应磁链观测器异步电机低速控制框图。通过转速自适应磁链观测器估算出转子转速的估计值ω_r ^*与磁链ψ^* _r，再将实际的转速ω_r与估算转速ωr^*进行作差，差值通过PI调节器后得出电流将给定磁链与估算磁链ψ_r进行作差，差值通过PI调节器后得出电流由三相异步电机检测出三相电流I_a、I_b、I_c，此三相电流经过Clark变换和PARK变换后得到的电流i_sq和电流i_sd。分别将电流和与电流i_sq和i_sd进行作差，再通过PI调节器后得出电压和在经过反PARK变换得出αβ轴上的电压和通过空间矢量调制来产生PWM波形，从而控制异步电机。在将αβ轴上的电压和电流引入转速自适应观测器，由自适应观测器估算出器速度反馈后与实际转速比较，转子位置角反馈给PARK变换和反PARK变换，从而构成双闭环控制。

图5和图6通过图4仿真达到实验结果，在低速情况下估计的电机转速可以跟踪上实际转速。图5的运行环境为：初始转速50r/min，负载转矩＝0，当t＝0.3时，负载转矩由0变为10N.m,在t＝0.6s时，将负载转矩从10N.m变为-10N.m。使系统开始运行至结束，从示波器获取到的转速波形；图6的工作环境设定跟第一种相同，但是转速下降设定为10r/min，使系统完整运行，结束后从示波器中得到的转速响应波形。可以看出，突加负载是转速发生波动，但是很快的稳定下来，而且转速自适应磁链观测器能够准确的进行转速的估算，实际转速预估算转速的误差很小，在低速时也可以稳定运行，从而验证该方法的可行性。

根据本发明的另一面，提供一种异步电机低速性能改善系统，包括：

状态方程模块，用于选取以异步电机的定子电流和定子磁链为状态变量，建立异步电机在两相静止坐标下的状态方程；

观测器模块，用于以所述状态方程和现代控制理论中的状态估计和状态反馈为基础，构建转速自适应磁链观测器；

估算模块，用于以李雅普诺夫稳定性定律为基础，通过自适应算法得出电机转速自适应律，进行转速估算，得到观测到的转速信息与磁链信息；

控制模块所述转速自适应磁链观测器将观测到的转速信息与磁链信息反馈给转速观测系统形成闭环控制。

本发明的异步电机低速性能改善系统一实施例中，所述状态方程为：

其中，式中：R_s—定子电阻；u_sd、u_sq—定子电压在d、q轴的电压分量；i_sd、i_sq—定子电流在d、q轴的电流分量；L_r、L_s、L_m—转子电感、定子电感及互感；ψ_sd、ψ_sq—定子磁链在d、q轴上的磁链分量；漏磁系数：σ＝1-L_m ²/L_sL_r；T_r＝L_m/R_r；ω₁是dq坐标轴相对于定子的旋转角速度。

本发明的异步电机低速性能改善系统一实施例中，所述转速自适应磁链观测器为：

其中：上标“^”表示的为观测值；G为系统的误差反馈矩阵，它的作用是将定子电流的实际值与观测值进行比较，将得到的误差值反馈给所述自适应磁链观测器，以通过获得的相关信息进行转子磁链以及定子电流的估算。

本发明的异步电机低速性能改善系统一实施例中，所述电机转速自适应律为：

由于电机转子磁链真实值无法获取，所以忽略掉电机转子磁链误差值得到：

其中，k_p、k_i—pi可调节参数；

本发明的异步电机低速性能改善系统一实施例中，所述控制模块，用于通过所述转速自适应磁链观测器估算出转子转速的估计值ω_r ^*与磁链的估计值ψ^* _r；

将观测到的转速信息ω_r与转速的估计值ω_r ^*进行作差，差值通过PI调节器后得出电流将观测到的磁链信息ψ_r与磁链的估计值ψ^* _r进行作差，差值通过PI调节器后得出电流

由三相异步电机检测出三相电流I_a、I_b、I_c，此三相电流经过Clark变换和PARK变换后得到的电流i_sq和电流i_sd；

分别将电流和与电流i_sq和i_sd进行作差，再通过PI调节器后得出电压和再经过反PARK变换得出αβ轴上的电压和通过空间矢量调制来产生PWM波形，从而控制异步电机。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种异步电机低速性能改善方法，其特征在于，包括：

选取以异步电机的定子电流和定子磁链为状态变量，建立异步电机在两相静止坐标下的状态方程；

以所述状态方程和现代控制理论中的状态估计和状态反馈为基础，构建转速自适应磁链观测器；

以李雅普诺夫稳定性定律为基础，通过自适应算法得出电机转速自适应律，进行转速估算，得到观测到的转速信息与磁链信息；

所述转速自适应磁链观测器将观测到的转速信息与磁链信息反馈给转速观测系统形成闭环控制。

2.如权利要求1所述的异步电机低速性能改善方法，其特征在于，所述状态方程为：

其中，式中：R_s—定子电阻；u_sd、u_sq—定子电压在d、q轴的电压分量；i_sd、i_sq—定子电流在d、q轴的电流分量；L_r、L_s、L_m—转子电感、定子电感及互感；ψ_sd、ψ_sq—定子磁链在d、q轴上的磁链分量；漏磁系数：σ＝1-L_m ²/L_sL_r；转子电磁时间常数：T_r＝L_r/R_r；ω₁是dq坐标轴相对于定子的旋转角速度；ω为转子角速度；n_p为极对数；J为转动惯量。

3.如权利要求1所述的异步电机低速性能改善方法，其特征在于，所述转速自适应磁链观测器为：

其中：上标“^”表示的为观测值；A为系统矩阵，B为输入矩阵，C为输出矩阵，G为系统的误差反馈矩阵，它的作用是将定子电流的实际值与观测值进行比较，将得到的误差值反馈给所述自适应磁链观测器，以通过获得的相关信息进行转子磁链以及定子电流的估算。

4.如权利要求1所述的异步电机低速性能改善方法，其特征在于，所述电机转速自适应律为：

由于电机转子磁链真实值无法获取，所以忽略掉电机转子磁链误差值得到：

其中，k_p、k_i—pi可调节参数；ψ_rβ，ψ_rα为转子磁链矢量在α,β轴上的分量，i_sα、i_sβ—实际定子电流在α,β轴的电流分量，定子电流观测值在α,β轴的电流分量。

5.如权利要求1至4任一项所述的异步电机低速性能改善方法，其特征在于，所述转速自适应磁链观测器将观测到的转速信息与磁链信息反馈给转速观测系统形成闭环控制，包括：

通过所述转速自适应磁链观测器估算出转子转速的估计值ω_r ^*与磁链的估计值ψ^* _r；

将观测到的转速信息ω_r与转速的估计值ω_r ^*进行作差，差值通过PI调节器后得出电流将观测到的磁链信息ψ_r与磁链的估计值ψ^* _r进行作差，差值通过PI调节器后得出电流

由三相异步电机检测出三相电流I_a、I_b、I_c，此三相电流经过Clark变换和PARK变换后得到的电流i_sq和电流i_sd；

分别将电流和与电流i_sq和i_sd进行作差，再通过PI调节器后得出电压和再经过反PARK变换得出αβ轴上的电压和通过空间矢量调制来产生PWM波形，从而控制异步电机。

6.一种异步电机低速性能改善系统，其特征在于，包括：

状态方程模块，用于选取以异步电机的定子电流和定子磁链为状态变量，建立异步电机在两相静止坐标下的状态方程；

观测器模块，用于以所述状态方程和现代控制理论中的状态估计和状态反馈为基础，构建转速自适应磁链观测器；

估算模块，用于以李雅普诺夫稳定性定律为基础，通过自适应算法得出电机转速自适应律，进行转速估算，得到观测到的转速信息与磁链信息；

控制模块所述转速自适应磁链观测器将观测到的转速信息与磁链信息反馈给转速观测系统形成闭环控制。

7.如权利要求6所述的异步电机低速性能改善系统，其特征在于，所述状态方程为：

其中，式中：R_s—定子电阻；u_sd、u_sq—定子电压在d、q轴的电压分量；i_sd、i_sq—定子电流在d、q轴的电流分量；L_r、L_s、L_m—转子电感、定子电感及互感；ψ_sd、ψ_sq—定子磁链在d、q轴上的磁链分量；漏磁系数：σ＝1-L_m ²/L_sL_r；转子电磁时间常数：T_r＝L_r/R_r；ω₁为dq坐标轴相对于定子的旋转角速度；ω为转子角速度；n_p为极对数；J为转动惯量。

8.如权利要求6所述的异步电机低速性能改善系统，其特征在于，所述转速自适应磁链观测器为：

其中：上标“^”表示的为观测值；G为系统的误差反馈矩阵，它的作用是将定子电流的实际值与观测值进行比较，将得到的误差值反馈给所述自适应磁链观测器，以通过获得的相关信息进行转子磁链以及定子电流的估算。

9.如权利要求6所述的异步电机低速性能改善系统，其特征在于，所述电机转速自适应律为：

由于电机转子磁链真实值无法获取，所以忽略掉电机转子磁链误差值得到：

其中，k_p、k_i—pi可调节参数；

10.如权利要求6至9任一项所述的异步电机低速性能改善系统，其特征在于，所述控制模块，用于通过所述转速自适应磁链观测器估算出转子转速的估计值ω_r ^*与磁链的估计值ψ^* _r；

将观测到的转速信息ω_r与转速的估计值ω_r ^*进行作差，差值通过PI调节器后得出电流将观测到的磁链信息ψ_r与磁链的估计值ψ^* _r进行作差，差值通过PI调节器后得出电流

由三相异步电机检测出三相电流I_a、I_b、I_c，此三相电流经过Clark变换和PARK变换后得到的电流i_sq和电流i_sd；

分别将电流和与电流i_sq和i_sd进行作差，再通过PI调节器后得出电压和再经过反PARK变换得出αβ轴上的电压和通过空间矢量调制来产生PWM波形，从而控制异步电机。