CN109495045B - 一种异步电机速度观测与启动统一控制方法 - Google Patents

一种异步电机速度观测与启动统一控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异步电机速度观测与启动统一控制方法，包括零速启动输出环节、速度观测控制环节、统一调节控制器；零速启动输出环节输出矢量控制内环坐标变换控制低频角至统一调节控制器；速度观测控制环节基于融合磁链观测器、双电流模型磁链观测器以及自适应率控制器构建，采集逆变器电压、电流信号，输出电机速度观测值及内环坐标变换角。本发明考虑了低速带载启动反电动势观测不精确的影响，有效降低传统速度观测中电压模型磁链观测不准确的影响，能够实现异步电机带载动态快速启动和无速度观测稳态有效控制。

Description

一种异步电机速度观测与启动统一控制方法
技术领域
本发明涉及一种大功率异步电机速度观测与启动统一控制方法，属于异步电机控制技术领域。
背景技术
异步电机是现代交流传动系统的重要组成部分，其可靠运行直接影响着交流传动系统的整体性能。
异步电机零速启动及无速度传感器矢量控制是交流传动系统的的关键技术之一。当前，传统的工矿应用场合，异步电机控制系统多采用速度传感器实现电机速度闭环，但速度传感器的安装增加了电机控制系统的成本，并且，在煤矿井下等特殊场合，对速度传感器的安装提出了更高的要求，甚至不具备安装速度传感器的条件。而无速度传感器技术，通过已知的系统某些容易获得的参数估算出电机的转速，即异步电机速度观测技术是解决上述问题的主要手段。
当前基于电压模型构建模型参考自适法实现速度观测的系统中，存在诸多问题：低速时电压、磁链观测不准确，积分饱和影响等，进而影响了系统运行稳定性及零速带载启动能力。现有技术中，申请号为201711325084.6的发明专利：一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法及系统，虽对定子电阻进行了补偿，但仍是基于电压模型构建，磁链观测准确度仍有待提高。申请号为201810462918.6的发明专利：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，注入虚拟电压，算法较为复杂，涉及较多的运算处理对硬件性能要求更高，系统响应慢，对电机低速运行带载能力造成影响。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种异步电机速度观测与启动统一控制方法，同时考虑了低速带载启动反电动势观测不精确的影响，有效降低传统速度观测中电压模型磁链观测不准确的影响，能够实现异步电机带载动态快速启动和无速度观测稳态有效控制。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种异步电机速度观测与启动统一控制方法，包括零速启动输出环节、速度观测控制环节、统一调节控制器；所述零速启动输出环节输出矢量控制内环坐标变换控制低频变换角至统一调节控制器；所述速度观测控制环节采集逆变器电压、电流信号，输出电机速度观测值及转子位置角至统一调节控制器。
进一步，所述速度观测控制环节包括融合磁链观测器、双电流模型磁链观测器以及自适应率控制器；所述融合磁链观测器采集定子电压与定子电流分别输出定子磁链在静止坐标系下的分量
Figure GDA0002522758530000021
与
Figure GDA0002522758530000022
以及转子磁链在静止坐标系下的分量
Figure GDA0002522758530000023
其中
Figure GDA0002522758530000024
分别为基于定子电流得到的定子磁链在两相静止坐标系下的磁链分量，
Figure GDA0002522758530000025
分别为基于定子电压得到的定子磁链在两相静止坐标系下的磁链分量；
所述双电流模型磁链观测器基于定子电流模型和磁链电流模型，采集定子电压与定子电流，输出定子电流观测量
Figure GDA0002522758530000026
以及输出转子磁链
Figure GDA0002522758530000027
所述自适应率控制器基于李雅普诺夫超稳定理论构建，输出异步电机速度观测值与转子位置角。
进一步，在融合磁链观测器中，根据异步电机电压模型与电流模型，分别计算异步电机在d-q坐标系下的电机转子磁链
Figure GDA0002522758530000028
和静止坐标系下的定子磁链
Figure GDA0002522758530000029
其计算公式为：
Figure GDA00025227585300000210
Figure GDA00025227585300000211
Figure GDA00025227585300000212
Figure GDA00025227585300000213
其中，
Figure GDA00025227585300000214
为转子磁链在d-q坐标系下的d、q轴分量，基于park反变换可输出静止坐标系分量
Figure GDA00025227585300000215
Lm为电机互感；Rs为电机定子电阻；ids、iqs为定子电流的d、q轴分量；τr为转子时间常数；
Figure GDA00025227585300000216
为定子磁链在静止坐标系下的分量，由异步电机定子磁链与转子磁链之间的定量关系，可得到转子磁链在静止坐标系下的分量
Figure GDA00025227585300000217
Figure GDA00025227585300000218
分别为定子电压在静止坐标系下的分量；
Figure GDA0002522758530000031
分别为定子电流在静止坐标系下的分量，ucomp,αs、ucomp,βs分别为静止坐标系下的电压补偿分量。
进一步，引入磁链模型融合偏差扰动调节控制，采集磁链偏差量
Figure GDA0002522758530000032
Figure GDA0002522758530000033
及其幅值|Δψd,q|信息量，同时引入扰动调节增益系数λ，反复纠正设定补偿量ucomp,qs、ucomp,ds，其计算公式为：
Figure GDA0002522758530000034
其中，kpu、kiu分别为电压补偿分量调节控制的比例系数和积分系数。
进一步，所述双电流模型磁链观测器基于定子电流模型和磁链电流模型在静止坐标系X(α、β)构建，实现定子电流观测量
Figure GDA0002522758530000035
与转子磁链
Figure GDA0002522758530000036
输出，计算公式为：
Figure GDA0002522758530000037
Figure GDA0002522758530000038
式中：σ为电机漏感系数；TN为电机额定转矩；Ls为电机定子电感，Lr为电机转子电感；Rs为电机定子电阻；Rr为电机转子电阻；Lm为电机互感；uXs为静止坐标系X下的定子电压；ωr为电机转子角速度。
进一步，根据李雅普诺夫稳定性定理，取比例积分自适应律能够推得电机转速估算公式为：
Figure GDA0002522758530000039
式中：
Figure GDA00025227585300000310
进而得出转子位置角：
Figure GDA00025227585300000311
其中，
Figure GDA0002522758530000041
为定子电流观测量在静止坐标系下的分量；T为采样周期；
Figure GDA0002522758530000042
为基于融合磁链观测器得到的转子磁链在静止坐标系下的α,β分量；
Figure GDA0002522758530000043
为基于双电流模型磁链观测器得到的转子磁链在静止坐标系下的α,β分量；Kp、Ki分别为比例积分自适应律的比例系数和积分系数。
进一步，所述零速启动输出环节为低频变换角给定环节，采用斜坡函数实现；建立低频变换角随频率变化的斜坡函数，根据电机容量大小调整电机给定系数K1与K2，在设定的f1达到最大变换角给定，实现零速带载启动控制，其斜坡函数为：
Figure GDA0002522758530000044
式中，a为角度信息量，和给定频率有关。
进一步，所述统一调节控制器采集零速启动输出环节与速度观测控制环节输出的零速低频变换角、电机速度观测值、转子位置角，控制电机启动，并在电机启动后切换至速度闭环控制，将电机转速与转子位置角传输至电机控制系统。
进一步，低频变换角的频率为0～2Hz。
本发明有益效果：
与现有技术相比，本发明首先采用融合磁链观测器+双电流模型磁链观测器+零速启动低频变换角的速度观测启动统一控制方法来减少由于纯积分器和定子电阻测量而引起的误差影响、克服速度观测器观测范围较窄的问题；其次降低了因零速时反电动势不准确造成磁链观测不准确、电机起动困难影响，提升了无速度传感器条件下零速启动的带载能力，通过异步电机速度观测与启动统一控制，实现异步电机磁链、转速、位置角的动态快速观测和稳态有效控制。
附图说明
图1为本发明控制方法框图；
图2为本发明速度观测控制环节示意图；
图3为本发明实际控制运行示意图。
图中，
Figure GDA0002522758530000045
为定子电压与定子电流在静止坐标系下的分量；θ、θr、ωr为低频变换角、观测的转子位置角和观测的电机转速；
Figure GDA0002522758530000051
为融合磁链观测器输出的转子磁链在静止坐标系下的分量；
Figure GDA0002522758530000052
为定子电流观测量；
Figure GDA0002522758530000053
为双电流模型磁链观测器输出的转子磁链；
1-零速启动输出环节；2-速度观测控制环节；3-统一调节控制器；21-融合磁链观测器；22-双电流模型磁链观测器；23-自适应率控制器。
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1所示，一种异步电机速度观测与启动统一控制方法，包括零速启动输出环节1、速度观测控制环节2、统一调节控制器3；零速启动输出环节1输出矢量控制内环坐标变换控制低频(0～2Hz)角至统一调节控制器3；速度观测控制环节2采集逆变器电压、电流信号，输出电机速度观测值及内环坐标变换角。
如图2所示，速度观测控制环节2包括融合磁链观测器21、双电流模型磁链观测器22以及自适应率控制器23；融合磁链观测器21采集定子电压与定子电流分别输出定子磁链在静止坐标系下的分量
Figure GDA0002522758530000054
与
Figure GDA0002522758530000055
及转子磁链在静止坐标系下的分量
Figure GDA0002522758530000056
双电流模型磁链观测器22采集定子电压输出定子电流观测量
Figure GDA0002522758530000057
同时采集实际定子电流输出转子磁链
Figure GDA0002522758530000058
自适应控制器23基于李雅普诺夫超稳定理论构建，输出异步电机转子转速与转子位置角。
具体步骤为：
(1)在融合磁链观测器21中，根据异步电机电压模型与电流模型，分别计算异步电机在d-q坐标系下的电机转子磁链
Figure GDA0002522758530000059
和静止坐标系下的定子磁链
Figure GDA0002522758530000061
其计算公式为：
Figure GDA0002522758530000062
Figure GDA0002522758530000063
Figure GDA0002522758530000064
Figure GDA0002522758530000065
其中，
Figure GDA0002522758530000066
为转子磁链在d-q坐标系下的d、q轴分量，基于park反变换可输出静止坐标系分量
Figure GDA0002522758530000067
Lm为电机互感；Rs为电机定子电阻；ids、iqs为定子电流的d、q轴分量；τr为转子时间常数；
Figure GDA0002522758530000068
为定子磁链在静止坐标系下的分量，由异步电机定子磁链与转子磁链之间的定量关系，可得到转子磁链在静止坐标系下的分量
Figure GDA0002522758530000069
Figure GDA00025227585300000610
为定子电压在静止坐标系下的分量；
Figure GDA00025227585300000611
分别为定子电流在静止坐标系下的分量，ucomp,αs、ucomp,βs分别为静止坐标系下的电压补偿分量。
(2)传统观测运算，多采用单电压模型，并且纯积分容易导致积分输出漂移至饱和，影响到系统的稳定性和计算准确度，低速时影响尤为明显，为此引入磁链模型融合偏差扰动调节控制，采集磁链偏差量
Figure GDA00025227585300000612
及其幅值|Δψd,q|信息量，同时引入扰动调节增益系数λ，反复纠正设定补偿量ucomp,qs、ucomp,ds，其计算公式为：
Figure GDA00025227585300000613
其中，kpu、kiu分别为电压补偿分量调节控制的比例系数和积分系数；
(3)双电流模型磁链观测器22基于定子电流模型和磁链电流模型在静止坐标系X(α、β)构建，实现定子电流观测量
Figure GDA00025227585300000614
与转子磁链
Figure GDA00025227585300000615
输出，计算公式为：
Figure GDA0002522758530000071
Figure GDA0002522758530000072
式中：σ为电机漏感系数；TN为电机额定转矩；Ls为电机定子电感，Lr为电机转子电感；Rs为电机定子电阻；Rr为电机转子电阻；Lm为电机互感；uXs为静止坐标系X下的定子电压；ωr为电机转子角速度。
(4)根据李雅普诺夫稳定性定理，取比例积分自适应律能够推得电机转速估算公式为：
Figure GDA0002522758530000073
式中：
Figure GDA0002522758530000074
进而得出转子位置角：
Figure GDA0002522758530000075
其中，
Figure GDA0002522758530000076
为定子电流观测量在静止坐标系下的分量；T为采样周期；
Figure GDA0002522758530000077
为基于融合磁链观测器得到的转子磁链在静止坐标系下的α,β分量；
Figure GDA0002522758530000078
为基于双电流模型磁链观测器得到的转子磁链在静止坐标系下的α,β分量；Kp、Ki分别为比例积分自适应律的比例系数和积分系数。
零速启动输出环节1为低频(0～2Hz)变换角给定环节，采用斜坡函数实现。建立低频变换角随频率变化的斜坡函数，根据电机容量大小调整电机给定系数K1与K2，在设定的f1达到最大变换角给定，实现零速带载启动控制，其斜坡函数为：
Figure GDA0002522758530000079
式中，a为角度信息量，和给定频率有关；
统一调节控制器3采集零速启动输出环节1与速度观测控制环节2输出的零速低频变换角、电机转速、转子位置角，控制电机启动，并在电机启动后切换至速度闭环控制，将电机转速与转子位置角传输至电机控制系统。
图3为电机给定1Hz起动及速度观测运行波形，由波形可以看出本发明基于采用融合磁链观测器+双电流模型磁链观测器+零速启动低频变换角构建的速度观测启动统一控制方法，提升了无速度传感器条件下零速启动的带载能力，速度观测平稳，实现异步电机磁链、转速、位置角的动态快速观测和稳态有效控制。
综上可得：本发明首先采用融合磁链观测器+双电流模型磁链观测器+零速启动低频变换角的速度观测启动统一控制方法来减少由于纯积分器和定子电阻测量而引起的误差影响、克服速度观测器观测范围较窄的问题；其次降低了因零速时反电动势不准确造成磁链观测不准确、电机起动困难影响，提升了无速度传感器条件下零速启动的带载能力，通过异步电机速度观测与启动统一控制，实现异步电机磁链、转速、位置角的动态快速观测和稳态有效控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种异步电机速度观测与启动统一控制方法，其特征在于：包括零速启动输出环节、速度观测控制环节、统一调节控制器；
所述零速启动输出环节输出矢量控制内环坐标变换低频变换角至统一调节控制器；
所述速度观测控制环节采集逆变器电压、电流信号，输出电机速度观测值及转子位置角至统一调节控制器；
所述速度观测控制环节包括融合磁链观测器、双电流模型磁链观测器以及自适应率控制器；
所述融合磁链观测器采集定子电压与定子电流分别输出定子磁链在静止坐标系下的分量
Figure FDA0002522758520000011
与
Figure FDA0002522758520000012
以及转子磁链在静止坐标系下的分量
Figure FDA0002522758520000013
其中
Figure FDA0002522758520000014
分别为基于定子电流得到的定子磁链在两相静止坐标系下的磁链分量，
Figure FDA0002522758520000015
分别为基于定子电压得到的定子磁链在两相静止坐标系下的磁链分量；
所述双电流模型磁链观测器基于定子电流模型和磁链电流模型，采集定子电压与定子电流，输出定子电流观测量
Figure FDA0002522758520000016
以及输出转子磁链
Figure FDA0002522758520000017
所述自适应率控制器基于李雅普诺夫超稳定理论构建，输出异步电机速度观测值与转子位置角。
2.根据权利要求1所述的一种异步电机速度观测与启动统一控制方法，其特征在于：在融合磁链观测器中，根据异步电机电压模型与电流模型，分别计算异步电机在d-q坐标系下的电机转子磁链
Figure FDA0002522758520000018
和静止坐标系下的定子磁链
Figure FDA0002522758520000019
Figure FDA00025227585200000110
其计算公式为：
Figure FDA00025227585200000111
Figure FDA00025227585200000112
Figure FDA00025227585200000113
Figure FDA00025227585200000114
其中，
Figure FDA0002522758520000021
为转子磁链在d-q坐标系下的d、q轴分量，基于park反变换可输出静止坐标系分量
Figure FDA0002522758520000022
Lm为电机互感；Rs为电机定子电阻；ids、iqs为定子电流的d、q轴分量；τr为转子时间常数；
Figure FDA0002522758520000023
为定子磁链在静止坐标系下的分量，由异步电机定子磁链与转子磁链之间的定量关系，可得到转子磁链在静止坐标系下的分量
Figure FDA0002522758520000024
Figure FDA0002522758520000025
分别为定子电压在静止坐标系下的分量；
Figure FDA0002522758520000026
分别为定子电流在静止坐标系下的分量，ucomp,αs、ucomp,βs分别为静止坐标系下的电压补偿分量。
3.根据权利要求2所述的一种异步电机速度观测与启动统一控制方法，其特征在于：
引入磁链模型融合偏差扰动调节控制，采集磁链偏差量
Figure FDA0002522758520000027
Figure FDA0002522758520000028
及其幅值|Δψd,q|信息量，同时引入扰动调节增益系数λ，反复纠正设定补偿量ucomp,qs、ucomp,ds，其计算公式为：
Figure FDA0002522758520000029
4.根据权利要求1所述的一种异步电机速度观测与启动统一控制方法，其特征在于：所述双电流模型磁链观测器基于定子电流模型和磁链电流模型在静止坐标系X(α、β)构建，实现定子电流观测量
Figure FDA00025227585200000210
与转子磁链
Figure FDA00025227585200000211
输出，计算公式为：
Figure FDA00025227585200000212
Figure FDA00025227585200000213
式中：σ为电机漏感系数；TN为电机额定转矩；Ls为电机定子电感，Lr为电机转子电感；Rs为电机定子电阻；Rr为电机转子电阻；Lm为电机互感；uXs为静止坐标系X下的定子电压；ωr为电机转子角速度。
5.根据权利要求1所述的一种异步电机速度观测与启动统一控制方法，其特征在于：根据李雅普诺夫稳定性定理，取比例积分自适应律能够推得电机转速估算公式为：
Figure FDA0002522758520000031
式中：
Figure FDA0002522758520000032
进而得出转子位置角：
Figure FDA0002522758520000033
其中，
Figure FDA0002522758520000034
为定子电流观测量在静止坐标系下的分量；T为采样周期；
Figure FDA0002522758520000035
为基于融合磁链观测器得到的转子磁链在静止坐标系下的α,β分量；
Figure FDA0002522758520000036
为基于双电流模型磁链观测器得到的转子磁链在静止坐标系下的α,β分量；Kp、Ki分别为比例积分自适应律的比例系数和积分系数。
6.根据权利要求1所述的一种异步电机速度观测与启动统一控制方法，其特征在于：
所述零速启动输出环节为低频变换角给定环节，采用斜坡函数实现；建立低频变换角随频率变化的斜坡函数，根据电机容量大小调整电机给定系数K1与K2，在设定的f1达到最大变换角给定，实现零速带载启动控制，其斜坡函数为：
Figure FDA0002522758520000037
式中，a为角度信息量，和给定频率有关。
7.根据权利要求1所述的一种异步电机速度观测与启动统一控制方法，其特征在于：所述统一调节控制器采集零速启动输出环节与速度观测控制环节输出的零速低频变换角、电机速度观测值、转子位置角，控制电机启动，并在电机启动后切换至速度闭环控制，将电机转速与转子位置角传输至电机控制系统。
8.根据权利要求1所述的一种异步电机速度观测与启动统一控制方法，其特征在于：低频变换角的频率为0～2Hz。
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