CN108599651A - 基于虚拟电压注入的感应电机无速度传感器驱动控制方法 - Google Patents

基于虚拟电压注入的感应电机无速度传感器驱动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于虚拟电压注入的感应电机无速度传感器驱动控制方法，首先在电机磁链和转速观测器中注入虚拟电压信号，使得电机磁链和和转速观测器的输入与电机的指令输入存在差异；其次以任一种电机磁链和转速观测器为基础对电机磁链旋转角度和电机转子转速进行估计，并以某种控制策略(如矢量控制)驱动感应电机正常运行；然后，依照本方法设计出的、仅注入在电机磁链和转速观测器中的信号，能够保证在感应电机无速度传感器控制系统驱动下的感应电机，在电机低同步转速以及电机零同步转速运行时输出150％的额定转矩，并长时间保持其稳定。

Description

基于虚拟电压注入的感应电机无速度传感器驱动控制方法
技术领域
本发明属于电机控制领域，具体涉及基于虚拟电压注入的感应电机无速度传感器驱动控制方法。
背景技术
感应电机(Induction Motor，简称IM)依靠电磁感应作用使转子感应电流从而实现机电能量转换的一种交流电机，其实质上是一种异步电机(Asynchronous Motor)。
电机转速检测装置多采用速度传感器，这些速度传感器的安装增加了电机控制系统的成本，此外，速度传感器不适用于潮湿、震荡和电磁噪声干扰大等恶劣环境，因而限制了其应用范围。于是，无速度传感器技术，也就是如何通过已知的调速系统参数快速而准确地估算出电机的转速值，已成为当今研究的又一个热点。但无速度传感器驱动控制系统也存在缺陷：电机低速运行带载能力弱及低速发电不稳定性。
为保证感应电机无速度传感器驱动系统在电机同步转速为零或电机转子转速为零时能够长时间带载稳定运行，近年来人们做了很多研究，主要包括低频电流信号注入法、高频电流/电压信号注入法、检测零序电流谐波估算转子位置法等。但是上述方法要求感应电机具有明显的磁场异向性，并依赖电机设计，存在转矩波动、噪声等问题。尚无企业或研究机构能够在不对电机进行信号注入的情况下，实现感应电机无速度传感器驱动系统在零同步转速下的带载稳定运行。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有感应电机无速度传感器控制系统在低同步转速和零同步转速下的不稳定的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了基于虚拟电压注入的感应电机无速度传感器驱动控制方法，该方法基于现有的感应电机无速度传感器驱动系统，通过在αβ坐标系下电机的定子电压指令输入值usα、usβ和磁链观测器定子电压输入值之间增加一虚拟电压注入模块，或者，在dq坐标系下电机的定子电压指令输入值usd、usq和磁链观测器定子电压输入值之间增加一虚拟电压注入模块实现，该方法包括如下步骤：
S1.基于感应电机的参数计算k，k为虚拟电压注入模块中的比例关系；
S2.将αβ坐标系下电机的定子电压指令输入值usα、usβ分别乘以比例关系k，获得αβ坐标系下磁链观测器定子电压输入值或者，将dq坐标系下电机的定子电压指令输入值usd、usq分别乘以比例关系k，获得dq坐标系下磁链观测器定子电压输入值
该操作相当于在usα和usβ的基础上，注入了usα_inj和usβ_inj，其中使得满足
式中，usα_inj为α轴下的虚拟电压注入值，usβ_inj为β轴下的虚拟电压注入值；
或者，相当于在usd和usq的基础上，注入了usd_inj和usq_inj，其中使得满足
式中，usd_inj为d轴下的虚拟电压注入值，usq_inj为q轴下的虚拟电压注入值；
S3.基于或构建磁链观测器的动态数学模型；
S4.基于磁链观测器的动态数学模型，使用转速观测器观测感应电机转子转速使用磁链观测器观测转子磁链的旋转角度
S5.观测出的转子转速被用于转速PI调节模块和磁链观测器，观测出的转子磁链旋转角度用于2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块，从而实现感应电机无速度传感器转速和转矩的控制；
其中，αβ坐标系是2相静止坐标系，dq坐标系是2相同步旋转坐标系。
具体地，虚拟电压注入模块通过加法器、乘法器或其组合实现。
具体地，步骤S1中比例关系k的计算公式如下：
其中，p为大于零的常数，根据感应电机转速和转矩的稳定程度来取值；Rr为感应电机转子电阻；Lm为感应电机互感；Lr为感应电机转子侧电感。
具体地，步骤S3中基于构建的磁链观测器的动态数学模型如下：
其中：
基于构建的磁链观测器的动态数学模型如下：
其中：
其中，分别为α轴、β轴、d轴、q轴下的定子磁链观测值；分别为α轴、β轴、d轴、q轴下的转子磁链观测值；分别为α轴、β轴、d轴、q轴下的定子电流观测值；ωe为同步转速；Rs、Rr分别为电机定子电阻和转子电阻；Ls、Lr、Lm分别为电机定子侧电感、电机转子侧电感和电机互感。
具体地，基于构建磁链观测器的动态数学模型时，步骤S4中感应电机转子转速计算公式如下：
基于构建磁链观测器的动态数学模型时，步骤S4中感应电机转子转速计算公式如下：
其中，kp、ki分别为转速观测器的比例环节增益和积分环节增益；isα、isβ、isd、isq分别为α轴、β轴、d轴、q轴下定子电流实际测量值； 分别为α轴、β轴、d轴、q轴下定子电流观测值；分别为α轴、β轴、d轴、q轴下的转子磁链观测值；S1、S2分别为的时间积分值。
具体地，基于构建磁链观测器的动态数学模型时，步骤S4中旋转角度计算公式如下：
基于构建磁链观测器的动态数学模型时，步骤S4中旋转角度计算公式如下：
其中，分别为α轴、β轴、d轴下的转子磁链观测值；isq为q轴下定子电流实际测量值，ωs为滑差转速，Rr为电机转子电阻，Lr、Lm分别为电机转子侧电感和电机互感，S3代表对的时间积分。
具体地，步骤S5包括以下步骤：
S501，观测出的感应电机转子转速作为转速PI调节模块的反馈量，与对应的转速指令做差后进行转速PI控制；
S502，观测出的磁链旋转角度被用于2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块中的坐标变换计算；
S503，转速PI调节模块的输出作为q轴电流PI调节模块的指令，磁链电流指令给定模块的输出作为d轴电流PI调节模块的指令；由电流传感器采样得到的感应电机两相电流iU、iV，输入3相静止坐标/2相静止坐标变换模块，然后输出至2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块，最后得到2相同步旋转坐标系下的d轴电流isd和q轴电流isq，并将得到的d轴电流和q轴电流分别作为d轴电流PI调节器和q轴电流PI调节器的反馈量，与对应的磁链电流指令和做差后进行电流PI控制；
S504，d轴和q轴电流PI调节模块的输出usd和usq至2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块，其将2相同步旋转坐标系下的电机输入电压指令转换为2相静止坐标系下的电机输入电压指令
S505，将输出至电压空间矢量脉宽调制模块，产生能够控制开关器件SA、SB、SC的开关信号，进而达到控制感应电机转速和转矩的目的。
第二方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的基于虚拟电压注入的感应电机无速度传感器驱动控制方法。
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，具有以下有益效果：本发明通过在αβ坐标系下电机的定子电压指令输入值usα、usβ和磁链观测器定子电压输入值之间增加一虚拟电压注入模块，或者，在dq坐标系下电机的定子电压指令输入值usd、usq和磁链观测器定子电压输入值之间增加一虚拟电压注入模块，从而实现了：
(1)在不对电机本体进行信号注入的情况下，实现感应电机无速度传感器驱动系统控制的感应电机在零同步转速或低同步转速下均能够输出150％电机额定转矩。
(2)在不对电机本体进行信号注入的情况下，实现感应电机无速度传感器驱动系统控制的感应电机在0％电机额定转矩和零转子转速下长时间稳定运行，并能够在长时间运行后正常加速启动。
(3)在不对电机本体进行信号注入的情况下，实现感应电机无速度传感器驱动系统控制的感应电机在负载为150％电机额定转矩不变的情况下，以任意加减速时间进行电机转速的正反转切换。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的基于虚拟电压注入的感应电机无速度传感器驱动控制系统结构示意图。
图2为本发明实施例二提供的基于虚拟电压注入的感应电机无速度传感器驱动控制系统结构示意图。
图3为本发明实施例提供的不同阶段感应电机转子转速性能曲线图。
图4为本发明实施例提供的电机U相定子电流、电机转子转速指令值随时间变化的曲线图。
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。
图1为本发明实施例一提供的基于虚拟电压注入的感应电机无速度传感器驱动控制系统结构示意图。
感应电机无速度传感器驱动系统的硬件部分包括：三相电压源型逆变器和感应电机。三相交流电源经过不控整流得到直流母线电压UDC，供给电压源型逆变器，并利用逆变器来控制感应电机进行转矩和转速的控制。三相电压源型逆变器中包括电压和电流传感器。
感应电机无速度传感器驱动系统的软件部分包括：3相静止坐标/2相静止坐标变换模块，2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块，电压空间矢量脉宽调制模块，电流PI(Proportion Integration)调节模块，转速PI调节模块，磁链电流指令给定模块，转速指令给定模块，磁链和转速观测器模块和虚拟电压注入模块。
感应电机的控制方式主要分为VF控制、矢量控制和直接转矩控制，本发明实施例优选矢量控制策略。本发明主要涉及虚拟电压注入模块，其他模块为感应电机无速度传感器矢量控制的功能性模块，为本领域公知常识。虚拟电压注入模块通过加法器、乘法器或其组合实现。
实施例一控制系统通过在αβ坐标系下电机的定子电压指令输入值usα、usβ和磁链观测器定子电压输入值之间增加一虚拟电压注入模块实现，下面介绍整个系统的控制方法，包括步骤S1至步骤S5。
S1.基于感应电机的参数计算k，k为虚拟电压注入模块中的比例关系，计算公式如下：
其中，p为大于零的常数，根据感应电机转速和转矩的稳定程度来取值；Rr为感应电机转子电阻；Lm为感应电机互感；Lr为感应电机转子侧电感。
比例关系k被计算出来后，在电机控制器中以常数形式存在，其值不随电机各参数的变化而变化。
S2.将αβ坐标系下电机的定子电压指令输入值usα、usβ分别乘以比例关系k，获得αβ坐标系下磁链观测器定子电压输入值
该操作相当于在usα和usβ的基础上，注入了usα_inj和usβ_inj，其中使得满足
式中，usα_inj为α轴下的虚拟电压注入值，usβ_inj为β轴下的虚拟电压注入值；
S3.基于构建磁链观测器的动态数学模型，动态数学模型如下：
其中：
其中，分别为α轴、β轴下的定子磁链观测值；分别为α轴、β轴下的转子磁链观测值；分别为α轴、β轴下的定子电流观测值；Rs、Rr分别为电机定子电阻和转子电阻；Ls、Lr、Lm分别为电机定子侧电感、电机转子侧电感和电机互感。
S4.基于磁链观测器的动态数学模型，使用转速观测器观测感应电机转子转速使用磁链观测器观测转子磁链的旋转角度
其中，kp、ki分别为转速观测器的比例环节增益和积分环节增益；isα、isβ分别为α轴、β轴下定子电流实际测量值；分别为α轴、β轴下定子电流观测值；分别为α轴、β轴下的转子磁链观测值；S1分别为的时间积分值。
S5.观测出的转子转速被用于转速PI调节模块和磁链观测器，观测出的转子磁链旋转角度用于2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块，从而实现感应电机无速度传感器转速和转矩的控制。
具体地，步骤S5包括以下步骤：
S501，观测出的感应电机转子转速作为转速PI调节模块的反馈量，与对应的转速指令做差后进行转速PI控制；
S502，观测出的磁链旋转角度被用于2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块中的坐标变换计算；
S503，转速PI调节模块的输出作为q轴电流PI调节模块的指令，磁链电流指令给定模块的输出作为d轴电流PI调节模块的指令；由电流传感器采样得到的感应电机两相电流iU、iV，输入3相静止坐标/2相静止坐标变换模块，然后输出至2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块，最后得到2相同步旋转坐标系下的d轴电流isd和q轴电流isq，并将得到的d轴电流和q轴电流分别作为d轴电流PI调节器和q轴电流PI调节器的反馈量，与对应的磁链电流指令和做差后进行电流PI控制；
S504，d轴和q轴电流PI调节模块的输出usd和usq至2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块，其将2相同步旋转坐标系下的电机输入电压指令转换为2相静止坐标系下的电机输入电压指令
S505，将输出至电压空间矢量脉宽调制模块，产生能够控制开关器件SA、SB、SC的开关信号，进而达到控制感应电机转速和转矩的目的。
如图2所示，实施例二控制系统通过在在dq坐标系下电机的定子电压指令输入值usd、usq和磁链观测器定子电压输入值之间增加一虚拟电压注入模块实现，下面介绍整个系统的控制方法，包括步骤S1至步骤S5。
S1.基于感应电机的参数计算k，k为虚拟电压注入模块中的比例关系，计算公式如下：
S2.将dq坐标系下电机的定子电压指令输入值usd、usq分别乘以比例关系k，获得dq坐标系下磁链观测器定子电压输入值
该操作相当于在usd和usq的基础上，注入了usd_inj和usq_inj，其中使得满足
式中，usd_inj为d轴下的虚拟电压注入值，usq_inj为q轴下的虚拟电压注入值；
S3.基于构建磁链观测器的动态数学模型；，动态数学模型如下：
其中：
其中，分别为d轴、q轴下的定子磁链观测值；分别为d轴、q轴下的转子磁链观测值；分别为d轴、q轴下的定子电流观测值；ωe为同步转速；Rs、Rr分别为电机定子电阻和转子电阻；Ls、Lr、Lm分别为电机定子侧电感、电机转子侧电感和电机互感。
S4.基于磁链观测器的动态数学模型，使用转速观测器观测感应电机转子转速使用磁链观测器观测转子磁链的旋转角度
其中，kp、ki分别为转速观测器的比例环节增益和积分环节增益；isd、isq分别为d轴、q轴下定子电流实际测量值；分别为d轴、q轴下定子电流观测值；分别为d轴、q轴下的转子磁链观测值；S2为的时间积分值，isq为q轴下定子电流实际测量值，ωs为滑差转速，Rr为电机转子电阻，Lr、Lm分别为电机转子侧电感和电机互感，S3代表对的时间积分。
S5.观测出的转子转速被用于转速PI调节模块和磁链观测器，观测出的转子磁链旋转角度用于2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块，从而实现感应电机无速度传感器转速和转矩的控制。
S501，观测出的感应电机转子转速作为转速PI调节模块的反馈量，与对应的转速指令做差后进行转速PI控制；
S502，观测出的磁链旋转角度被用于2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块中的坐标变换计算；
S503，转速PI调节模块的输出作为q轴电流PI调节模块的指令，磁链电流指令给定模块的输出作为d轴电流PI调节模块的指令；由电流传感器采样得到的感应电机两相电流iU、iV，输入3相静止坐标/2相静止坐标变换模块，然后输出至2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块，最后得到2相同步旋转坐标系下的d轴电流isd和q轴电流isq，并将得到的d轴电流和q轴电流分别作为d轴电流PI调节器和q轴电流PI调节器的反馈量，与对应的磁链电流指令和做差后进行电流PI控制；
S504，d轴和q轴电流PI调节模块的输出usd和usq至2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块，其将2相同步旋转坐标系下的电机输入电压指令转换为2相静止坐标系下的电机输入电压指令
S505，将输出至电压空间矢量脉宽调制模块，产生能够控制开关器件SA、SB、SC的开关信号，进而达到控制感应电机转速和转矩的目的。
图3为本发明实施例提供的不同阶段感应电机转子转速性能曲线图。
如图3所示，在电机零同步转速并且0％负载转矩、零同步转速并且150％负载转矩和低同步转速并且150％负载转矩下电机转子转速能够保持稳定。
图4为本发明实施例提供的电机U相定子电流、电机转子转速值随时间变化的曲线图。
如图4所示，在150％负载转矩下，电机转子转速由-120rpm穿越至120rpm时，能够保持稳定。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.基于虚拟电压注入的感应电机无速度传感器驱动控制方法，该方法基于现有的感应电机无速度传感器驱动系统，通过在αβ坐标系下电机的定子电压指令输入值usα、usβ和磁链观测器定子电压输入值之间增加一虚拟电压注入模块，或者，在dq坐标系下电机的定子电压指令输入值usd、usq和磁链观测器定子电压输入值之间增加一虚拟电压注入模块实现，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1.基于感应电机的参数计算k，k为虚拟电压注入模块中的比例关系；
S2.将αβ坐标系下电机的定子电压指令输入值usα、usβ分别乘以比例关系k，获得αβ坐标系下磁链观测器定子电压输入值或者，将dq坐标系下电机的定子电压指令输入值usd、usq分别乘以比例关系k，获得dq坐标系下磁链观测器定子电压输入值
该操作相当于在usα和usβ的基础上，注入了usα_inj和usβ_inj，其中使得满足
式中，usα_inj为α轴下的虚拟电压注入值，usβ_inj为β轴下的虚拟电压注入值；
或者，相当于在usd和usq的基础上，注入了usd_inj和usq_inj，其中使得满足
式中，usd_inj为d轴下的虚拟电压注入值，usq_inj为q轴下的虚拟电压注入值；
S3.基于或构建磁链观测器的动态数学模型；
S4.基于磁链观测器的动态数学模型，使用转速观测器观测感应电机转子转速使用磁链观测器观测转子磁链的旋转角度
S5.观测出的转子转速被用于转速PI调节模块和磁链观测器，观测出的转子磁链旋转角度用于2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块，从而实现感应电机无速度传感器转速和转矩的控制；
其中，αβ坐标系是2相静止坐标系，dq坐标系是2相同步旋转坐标系。
2.如权利要求1所述的驱动控制方法，其特征在于，虚拟电压注入模块通过加法器、乘法器或其组合实现。
3.如权利要求1或2所述的驱动控制方法，其特征在于，步骤S1中比例关系k的计算公式如下：
其中，p为大于零的常数，根据感应电机转速和转矩的稳定程度来取值；Rr为感应电机转子电阻；Lm为感应电机互感；Lr为感应电机转子侧电感。
4.如权利要求1或2所述的驱动控制方法，其特征在于，步骤S3中基于构建的磁链观测器的动态数学模型如下：
其中：
基于构建的磁链观测器的动态数学模型如下：
其中：
其中，分别为α轴、β轴、d轴、q轴下的定子磁链观测值；分别为α轴、β轴、d轴、q轴下的转子磁链观测值；分别为α轴、β轴、d轴、q轴下的定子电流观测值；ωe为同步转速；Rs、Rr分别为电机定子电阻和转子电阻；Ls、Lr、Lm分别为电机定子侧电感、电机转子侧电感和电机互感。
5.如权利要求1或2所述的驱动控制方法，其特征在于，基于构建磁链观测器的动态数学模型时，步骤S4中感应电机转子转速计算公式如下：
基于构建磁链观测器的动态数学模型时，步骤S4中感应电机转子转速计算公式如下：
其中，kp、ki分别为转速观测器的比例环节增益和积分环节增益；isα、isβ、isd、isq分别为α轴、β轴、d轴、q轴下定子电流实际测量值； 分别为α轴、β轴、d轴、q轴下定子电流观测值； 分别为α轴、β轴、d轴、q轴下的转子磁链观测值；S1、S2分别为的时间积分值。
6.如权利要求1或2所述的驱动控制方法，其特征在于，基于构建磁链观测器的动态数学模型时，步骤S4中旋转角度计算公式如下：
基于构建磁链观测器的动态数学模型时，步骤S4中旋转角度计算公式如下：
其中，分别为α轴、β轴、d轴下的转子磁链观测值；isq为q轴下定子电流实际测量值，ωs为滑差转速，Rr为电机转子电阻，Lr、Lm分别为电机转子侧电感和电机互感，S3代表对的时间积分。
7.如权利要求1或2所述的驱动控制方法，其特征在于，步骤S5包括以下步骤：
S501，观测出的感应电机转子转速作为转速PI调节模块的反馈量，与对应的转速指令做差后进行转速PI控制；
S502，观测出的磁链旋转角度被用于2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块中的坐标变换计算；
S503，转速PI调节模块的输出作为q轴电流PI调节模块的指令，磁链电流指令给定模块的输出作为d轴电流PI调节模块的指令；由电流传感器采样得到的感应电机两相电流iU、iV，输入3相静止坐标/2相静止坐标变换模块，然后输出至2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块，最后得到2相同步旋转坐标系下的d轴电流isd和q轴电流isq，并将得到的d轴电流和q轴电流分别作为d轴电流PI调节器和q轴电流PI调节器的反馈量，与对应的磁链电流指令和做差后进行电流PI控制；
S504，d轴和q轴电流PI调节模块的输出usd和usq至2相同步旋转坐标/2相静止坐标变换模块，其将2相同步旋转坐标系下的电机输入电压指令转换为2相静止坐标系下的电机输入电压指令
S505，将输出至电压空间矢量脉宽调制模块，产生能够控制开关器件SA、SB、SC的开关信号，进而达到控制感应电机转速和转矩的目的。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的基于虚拟电压注入的感应电机无速度传感器驱动控制方法。
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