CN109256996B - 参数自整定与变频控制系统及其统一装置、参数辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了参数自整定与变频控制系统及其统一装置、参数辨识方法，参数自整定与变频控制系统包括参数自整定控制器、速度给定及测量反馈环节、励磁给定及反馈环节、异步电机控制器，程控功能选择环节和空间矢量脉宽调制环节；速度给定及测量反馈处理环节和励磁给定及反馈处理环节分别与异步电机控制器相连，异步电机控制器又分别与参数自整定控制器和程控功能选择环节相连，程控功能选择环节分别与参数自整定控制器和空间矢量脉宽调制环节相连，空间矢量脉宽调制环节与参数自整定控制器相连。本发明能够快速准确的对大功率异步电机参数进行离线自整定，具备良好的抗干扰能力，同时使得大功率异步电机保持静止并且无需拆装轴上负载，方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种参数自整定与变频控制系统及其统一装置、参数辨识方法，具体是一种大功率异步电机伪随机参数辨识及变频控制统一装置及方法，属于电力拖动控制技术领域。
背景技术
在现代异步电机变频调速系统中，矢量控制被认为是一种理想的调速控制方法。然而在实现矢量控制技术中仍然存在一些需要进一步解决的问题，其中之一就是如何比较准确地确定异步电机的参数，以保证对磁场的正确定向。此外，在无速度传感器直接转矩控制系统中，同样也需要辨识电机参数。由异步电机铭牌或产品手册中的数据推算出来的部分参数，通常会有较大的偏差，并且由于电机实际运行时存在的磁路饱和、集肤效应及绕组温度变化等都会使电机参数发生变化，因此就难以保证动态过程中电流的完全解耦，从而影响系统的控制效果和运行性能。
目前，主要采取两种方法来解决上述问题：一是设计对电机参数不敏感的鲁棒控制器；二是对电机的某些重要参数进行在线辨识，并将辨识结果用于控制器的设计和参数整定中。实质上，这两种方法是统一的，一方面：参数辨识的目的在于提高控制器的自适应能力，从而提高控制器对参数变化的鲁棒性；另一方面，不具备参数辨识能力的控制器对参数变化的适应能力不够强，往往难以达到理想的控制效果。
目前采用较多的是参数检测方法为稳态实验法，即通过直流实验、单相实验和空载实验分别辨识异步电机定子电阻Rs，定子漏感Lr、转子漏感Ls和转子电阻Rr，互感Lm。该方法对于采用定点DSP为处理器的变频器，实现其算法简单，但存在严重缺陷，在很多实际应用场合，异步电机负载不允许脱开，空载实验无法进行，使得该方法在实际应用中存在很大的局限性。
随着异步电机调速系统的发展，电机不转时(或电机投入正常运转之前)的参数辨识方法，特别是不需要增加额外的硬件设备而仅靠异步电机调速系统自身进行的参数辨识方法逐渐成为当前异步电机驱动技术发展的一个潮流，成为现代异步电机驱动系统的新特点。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种参数辨识及变频控制统一装置及参数辨识方法，能有效地解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
参数自整定与变频控制系统，包括参数自整定控制器、速度给定及测量反馈环节、励磁给定及反馈环节、异步电机控制器，程控功能选择环节和空间矢量脉宽调制环节；其中速度给定及测量反馈处理环节和励磁给定及反馈处理环节分别与异步电机控制器相连，异步电机控制器又分别与参数自整定控制器和程控功能选择环节相连，程控功能选择环节分别与参数自整定控制器和空间矢量脉宽调制环节相连，空间矢量脉宽调制环节与参数自整定控制器相连。
进一步，所述参数自整定控制器采集空间矢量脉宽调制环节输出的脉冲触发时间及控制所需电压电流信号，输出辨识启动信号及异步电机控制器所需的电机参数，同时输出程控选择指令至程控功能选择环节，选择系统处于参数整定辨识模式或变频控制模式，程控功能选择环节输出相应的调制矢量至空间矢量脉宽调制环节，空间矢量脉宽调制环节输出的触发脉冲信号对逆变器进行控制。
进一步，所述参数自整定控制器包括采样信息处理环节、多级微分控制器、矩阵离散化环节、参数迭代统一辨识环节和数据交互环节；所述采样信息处理环节、多级微分控制器、矩阵离散化环节、参数迭代统一辨识环节和数据交互环节依次相连，数据交互环节输出电机参数至异步电机控制器。
参数辨识及变频控制统一装置，包括大功率异步电机、三相电压源型逆变器、三相正弦波滤波器、双伪随机信号发生器以及前述的参数自整定与变频控制系统；其中，所述三相电压源型逆变器经三相正弦波滤波器与大功率异步电机的定子绕组相连；在三相电压源型逆变器与三相正弦波滤波器之间的三相电气连接线上设有电流传感器，在三相正弦波滤波器处设有电容电流传感器；所述电流传感器与电容电流传感器的信号输出端与参数自整定与变频控制系统的输入端相连。
进一步，所述双伪随机信号发生器输出给定控制信号至参数自整定与变频控制系统；参数自整定与变频控制系统输出触发光信号至三相电压源型逆变器，实现对大功率异步电机的参数自整定与变频控制；同时，参数自整定与变频控制系统还采样大功率异步电机的运行转速和三相电压源型逆变器的直流电压。进一步，所述双伪随机信号发生器包括alfa轴多级伪随机直流信号发生器、beta轴多级伪随机直流信号发生器、alfa轴分频注入处理环节、beta轴分频注入处理环节和伪随机信号时序分配环节；
所述alfa轴多级伪随机直流信号发生器与alfa轴分频注入处理环节相连，beta轴多级伪随机直流信号发生器与beta轴分频注入处理环节相连，alfa轴分频注入处理环节和beta轴分频注入处理环节分别输出alfa轴给定信号Ualfa1和beta轴给定信号Ubeta1，经伪随机信号时序分配环节输出用于驱动空间矢量脉宽调制环节的电压信号至程控功能选择环节。
进一步，所述大功率异步电机为交流鼠笼异步电动机或交流绕线异步电机。一种基于上述的参数辨识及变频控制统一装置的参数辨识方法，方法为：
a.双伪随机信号发生器分别输出alfa轴电压给定伪随机信号Ualfa1和beta轴电压给定伪随机信号Ubeta1，伪随机信号Ualfa1和伪随机信号Ubeta1幅值不同、分布不同，经程控功能选择环节输出至空间矢量脉宽调制环节；
b.采样信息处理环节实时采样空间矢量脉宽调制环节输出的脉冲信号Ta、Tb、Tc、直流母线电压信号Udc、电流传感器与电容电流传感器信号，处理输出参数辨识所需的Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta信号；
c.多级微分控制器采集采样信息处理环节输出的Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta信号，输出Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta信号的一阶、二阶、三阶微分信号供给矩阵离散化环节，
d.将矩阵离散化环节对多级微分控制器进行离散化处理，输出Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta的部分微分离散信号展开矩阵运算；
e.迭代统一辨识环节基于Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta及其微分离散化量展递推迭代辨识获得含有电机参数信息的辨识结果Y1、Y2，并对辨识结果进行出平均处理得到最终结果Y，输出电机参数Rs、Rr、Lr、Ls、Lm经数据交互环节传输至异步电机控制器，实现电机参数的辨识。
进一步，在步骤c中，通过以下计算实现：
式中：xM为Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta，u为离散输入信号量,wc为截止频率；
在步骤d中，通过以下计算实现：
式中：T为离散化采样周期。
进一步，在步骤e中，通过以下计算实现：递推迭代辨识算法可有下式具体展开：
其中，Y1＝[y11(k+1) y12(k+1) y13(k+1) y14(k+1)]T，为基于alfa轴获得的包含电机参数信息的辨识参数，Y2＝[y21(k+1) y22(k+1) y23(k+1) y24(k+1)]T为基于beta轴获得的包含电机参数信息的辨识参数；k为变量离散化的当前时刻；ialfaM、ibetaM、ualfaM、ubetaM分别为信号ialfa、ibeta、ualfa、ubeta的实时采样测量值；G为设定的增益调节矩阵，
本发明有益效果：
能够快速准确的对大功率异步电机参数进行离线自整定，具备良好的抗干扰能力，同时使得大功率异步电机保持静止并且无需拆装轴上负载。有效实现大功率异步电机在静止条件下的核心参数的有效辨识与变频统一控制，无需额外装置对电机进行辅助辨识，可以有效避免传统控制方法对于大功率异步电机电阻及电感辨识不准确的问题，同时，方法收敛速度更快，具备较好的速度控制及转矩响应性能。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的伪随机参数辨识及变频控制方法框图；
图3是本发明的双伪随机信号发生器框图；
图4是本发明的参数自整定控制器框图；
图5是本发明的一种具体实施方式的实测结果波形图：
其中，图5(a)是本发明的伪随机电压信号；
图5(b)是本发明的辨识电机参数；
图5(c)是本发明的电机运行波形；
图中：1.大功率异步电机，2.三相电压源型逆变器，3.参数自整定与变频控制系统，4.三相正弦波滤波器，51.电流传感器，52电容电流传感器，6.双伪随机信号发生器,31.参数自整定控制器、32.速度给定及测量反馈处理环节、33.励磁给定及反馈处理环节、34.异步电机控制器、35.程控功能选择环节、36.空间矢量脉宽调制环节,311.采样信息处理环节、312.多级微分控制器、313.矩阵离散化环节、314.参数迭代统一辨识环节、315.数据交互环节,61.alfa轴多级伪随机直流信号发生器、62.beta轴多级伪随机直流信号发生器、63.alfa轴分频注入处理环节、64.beta轴分频注入处理环节、65.伪随机信号时序分配环节。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图2所示，参数自整定与变频控制系统3由参数自整定控制器31、速度给定及测量反馈处理环节32、励磁给定及反馈处理环节33、异步电机控制器34、程控功能选择环节35、空间矢量脉宽调制环节36组成；的速度给定及测量反馈处理环节32和励磁给定及反馈处理环节33分别与异步电机控制器34相连，异步电机控制器34分别与参数自整定控制器31和程控功能选择环节35相连，程控功能选择环节35分别与参数自整定控制器31和空间矢量脉宽调制环节36相连，空间矢量脉宽调制环节36与参数自整定控制器31相连；参数自整定控制器31分别采集空间矢量脉宽调制环节36输出的脉冲触发时间Ta、Tb、Tc、三相电压源型逆变器2输出的直流电压信号Udc、电流传感器信号，输出异步电机控制器4所需的电机参数，同时输出程控选择指令至程控功能选择环节35，选择系统处于参数整定辨识模式或变频控制模式，程控功能选择环节输出相应的调制矢量至空间矢量脉宽调制环节36，空间矢量脉宽调制环节36输出的触发脉冲信号对三相电压源型逆变器2进行控制。
以下给出关于上述实施例中关于参数自整定控制器31一优选实施例：
如图4所示，参数自整定控制器31包括采样信息处理环节311、多级微分控制器312、矩阵离散化环节313、参数迭代统一辨识环节314和数据交互环节315；采样信息处理环节311、多级微分控制器312、矩阵离散化环节313、参数迭代统一辨识环节314和数据交互环节315依次相连，数据交互环节315输出电机参数至异步电机控制器34。
以下给出上述实施例中关于参数自整定与变频控制系统的应用：
如图1所示，参数辨识及变频控制统一装置，包括大功率异步电机1、三相电压源型逆变器2、三相正弦波滤波器4、双伪随机信号发生器6和参数自整定与变频控制系统；其中，三相电压源型逆变器2经三相正弦波滤波器4与大功率异步电机1的定子绕组相连；在三相电压源型逆变器2与三相正弦波滤波器4之间的三相电气连接线上设有电流传感器51，在三相正弦波滤波器4处设有电容电流传感器52；电流传感器51与电容电流传感器52的信号输出端与参数自整定与变频控制系统3的输入端相连。双伪随机信号发生器6输出给定控制信号至参数自整定与变频控制系统3；参数自整定与变频控制系统3输出触发光信号至三相电压源型逆变器2，实现对大功率异步电机1的参数自整定与变频控制；同时，参数自整定与变频控制系统3还采样大功率异步电机1的运行转速和三相电压源型逆变器2的直流电压。
以下给出关于上述实施例中关于双伪随机信号发生器6一优选实施例：
如图3所示，双伪随机信号发生器6包括alfa轴多级伪随机直流信号发生器61、beta轴多级伪随机直流信号发生器62、alfa轴分频注入处理环节63、beta轴分频注入处理环节64和伪随机信号时序分配环节65；alfa轴多级伪随机直流信号发生器61与alfa轴分频注入处理环节63相连，beta轴多级伪随机直流信号发生器63与beta轴分频注入处理环节64相连，alfa轴分频注入处理环节63和beta轴分频注入处理环节64分别输出alfa轴给定信号Ualfa1和beta轴给定信号Ubeta1，经伪随机信号时序分配环节65输出用于驱动空间矢量脉宽调制环节36的电压信号至程控功能选择环节35。
需要说明的是，大功率异步电机1为交流鼠笼异步电动机或交流绕线异步电机。
结合附图2，3，4，本发明的一种双伪随机参数整定方法的具体实施步骤为：
a.双伪随机信号发生器分别输出alfa轴电压给定伪随机信号Ualfa1和beta轴电压给定伪随机信号Ubeta1，伪随机信号Ualfa1和伪随机信号Ubeta1幅值不同、分布不同，经程控功能选择环节输出至空间矢量脉宽调制环节。
b.采样信息处理环节实时采样空间矢量脉宽调制环节输出的脉冲信号(Ta、Tb、Tc)、直流母线电压信号Udc、电流信号，处理输出参数辨识所需的Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta信号；
c.多级微分控制器采集采样信息处理环节输出的Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta信号，输出Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta信号的一阶、二阶、三阶微分信号供给矩阵离散化环节，具体可由下式实现。
d.将矩阵离散化环节对多级微分控制器进行离散化处理，输出Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta的部分微分离散信号展开矩阵运算，具体的可通过下式实现：
e.迭代统一辨识环节基于Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta及其微分离散化量展递推迭代辨识获得含有电机参数信息的辨识结果Y1、Y2，并对辨识结果进行出平均处理得到最终结果Y，其中，递推迭代辨识算法可有下式实现，输出电机参数Rs、Rr、Lr、Ls、Lm经数据交互环节传输至异步电机控制器，实现电机参数的辨识。
结合图1～图4所示，采用本发明的一种大功率异步电机参数自整定及变频控制统一装置及方法的具体仿真实施例中，实验波形如图5所示。大功率异步电机为采用交流绕线异步电机作为待辨识及待控制电机，异步电机控制器34采用速度-磁链外环、电流双闭环矢量解耦控制算法实现。其工作过程为：参数自整定与变频控制系统3发出辨识指令，双伪随机信号发生器6输出参考电压指令，如图5(a)所示,输出伪随机电压信号用于空间矢量脉宽调制环节36控制触发脉冲，并实时采集电流信号输入参数自整定控制器31，用于电机参数辨识；基于所述辨识算法，采样信息处理环节311在信号采集完毕后，多级微分控制器312、矩阵离散化环节313、参数迭代统一辨识环节314依次展开工作，辨识出电机相应的参数，如图5(b)所示，可见算法运算速度较快，并由数据交互环节315传输至异步电机控制器34，用于电机变频控制，电机启动后波形如图5(c)所示，电机启动运行良好，说明了电机参数辨识的有效性和准确性。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (6)
1.参数辨识及变频控制统一装置，其特征在于：包括大功率异步电机(1)、三相电压源型逆变器(2)、三相正弦波滤波器(4)、双伪随机信号发生器(6)以及参数自整定与变频控制系统；
参数自整定与变频控制系统包括参数自整定控制器(31)、速度给定及测量反馈环节(32)、励磁给定及反馈环节(33)、异步电机控制器(34)，程控功能选择环节(35)和空间矢量脉宽调制环节(36)；其中速度给定及测量反馈环节(32)和励磁给定及反馈环节(33)分别与异步电机控制器(34)相连，异步电机控制器(34)又分别与参数自整定控制器(31)和程控功能选择环节(35)相连，程控功能选择环节(35)分别与参数自整定控制器(31)和空间矢量脉宽调制环节(36)相连，空间矢量脉宽调制环节(36)与参数自整定控制器(31)相连；
所述三相电压源型逆变器(2)经三相正弦波滤波器(4)与大功率异步电机(1)的定子绕组相连；
在三相电压源型逆变器(2)与三相正弦波滤波器(4)之间的三相电气连接线上设有电流传感器(51)，在三相正弦波滤波器(4)处设有电容电流传感器(52)；
所述电流传感器(51)与电容电流传感器(52)的信号输出端与参数自整定与变频控制系统(3)的输入端相连；
所述双伪随机信号发生器(6)包括alfa轴多级伪随机直流信号发生器(61)、beta轴多级伪随机直流信号发生器(62)、alfa轴分频注入处理环节(63)、beta轴分频注入处理环节(64)和伪随机信号时序分配环节(65)；
所述alfa轴多级伪随机直流信号发生器(61)与alfa轴分频注入处理环节(63)相连，beta轴多级伪随机直流信号发生器(63)与beta轴分频注入处理环节(64)相连，alfa轴分频注入处理环节(63)和beta轴分频注入处理环节(64)分别输出alfa轴给定信号Ualfa1和beta轴给定信号Ubeta1，经伪随机信号时序分配环节(65)输出用于驱动空间矢量脉宽调制环节(36)的电压信号至程控功能选择环节(35)。
2.根据权利要求1所述的参数辨识及变频控制统一装置，其特征在于：所述双伪随机信号发生器(6)输出给定控制信号至参数自整定与变频控制系统(3)；参数自整定与变频控制系统(3)输出触发信号至三相电压源型逆变器(2)，实现对大功率异步电机(1)的参数自整定与变频控制；同时，参数自整定与变频控制系统(3)还采样大功率异步电机(1)的运行转速和三相电压源型逆变器(2)的直流电压。
3.根据权利要求1所述的参数辨识及变频控制统一装置，其特征在于：所述大功率异步电机(1)为交流鼠笼异步电动机或交流绕线异步电机。
4.一种基于权利要求1至3任一项所述的参数辨识及变频控制统一装置的参数辨识方法，其特征在于：
a.双伪随机信号发生器(6)分别输出alfa轴电压给定伪随机信号Ualfa1和beta轴电压给定伪随机信号Ubeta1，伪随机信号Ualfa1和伪随机信号Ubeta1幅值不同、分布不同，经程控功能选择环节(35)输出至空间矢量脉宽调制环节(36)；
b.采样信息处理环节(311)实时采样空间矢量脉宽调制环节(36)输出的脉冲信号Ta、Tb、Tc、直流母线电压信号Udc、电流传感器(51)与电容电流传感器(52)信号，处理输出参数辨识所需的Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta信号，Ualfa、Ubeta分别为基于脉冲信号Ta、Tb、Tc和直流母线电压信号Udc重构出来的交流电压的alfa轴、beta轴分量；Ialfa、Ibeta分别电机端交流电流的alfa轴、beta轴分量；
c.多级微分控制器(312)采集采样信息处理环节(311)输出的Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta信号，输出Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta信号的一阶、二阶、三阶微分信号供给矩阵离散化环节(313)；
d.将矩阵离散化环节(313)对多级微分控制器(312)进行离散化处理，输出Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta的微分离散信号展开矩阵运算；
e.迭代统一辨识环节(314)基于Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta及其微分离散信号展开递推迭代辨识，以获得含有电机参数信息的辨识结果Y1、Y2，并对辨识结果进行出平均处理得到最终结果Y，输出电机参数Rs、Rr、Lr、Ls、Lm经数据交互环节(315)传输至异步电机控制器(34)，实现电机参数的辨识，Rs为电机定子电阻，Rr为电机转子电阻，Lr为电机转子电感，Ls为电机定子电感，Lm为电机互感。
5.根据权利要求4所述的参数辨识方法，其特征在于：在步骤c中，通过以下计算实现：
式中：xM为Ualfa、Ubeta、Ialfa、Ibeta，u为离散输入信号量,ωc为截止频率；
在步骤d中，通过以下计算实现：
式中：T为离散化采样周期,k为变量离散化的当前时刻。
6.根据权利要求4所述的参数辨识方法，其特征在于：在步骤e中，通过以下计算实现：递推迭代辨识算法可有下式具体展开：
其中，Y1(k+1)＝[y11(k+1) y12(k+1) y13(k+1) y14(k+1)]T为基于alfa轴获得的包含电机参数信息的辨识参数，Y2(k+1)＝[y21(k+1) y22(k+1) y23(k+1) y24(k+1)]T为基于beta轴获得的包含电机参数信息的辨识参数；k为变量离散化的当前时刻；ialfaM、ibetaM、ualfaM、ubetaM分别为信号Ialfa、Ibeta、Ualfa、Ubeta的实时采样测量值；G为设定的增益调节矩阵，
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