CN109889119B

CN109889119B - 一种感应电机定子电阻与转速并行解耦辨识方法

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Publication number: CN109889119B
Application number: CN201910232893.5A
Authority: CN
Inventors: 王勃; 罗成; 于泳; 徐殿国
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: CN109889119A

Abstract

一种感应电机定子电阻与转速并行解耦辨识方法。现有的针对无速度传感器感应电机的定子电阻在线辨识方法，存在轻载和空载时观测值不准确的问题。本发明的一种感应电机定子电阻与转速并行解耦辨识方法，一、设计转子磁链误差和定子电流误差的关系；二、采用转子磁链误差和定子电流误差的关系，解耦定子电流误差中定子电阻误差部分；三、确定定子电阻自适应率和感应电机转子转速自适应率；四、通过PI调节器估算感应电机定子电阻值。本发明提高了在轻载、空载时的定子电阻观测精度和准确度。

Description

一种感应电机定子电阻与转速并行解耦辨识方法

技术领域

本发明属于电力电子与电力传动领域，具体设计一种基于全阶观测器的无速度传感器感应电机定子电阻在线解耦辨识方法。

背景技术

无位置传感器感应电机矢量控制方法具有硬件复杂度低、低成本、小尺寸，高抗干扰能力，高可靠性、维护要求低等优点，受到学术界和工业界的广泛青睐。但是，感应电机在其运行范围内的高精度高效控制要求需要其获得准确的电机参数。温度和复杂的电磁环境会使定子电阻阻值发生很大的变化，最大可达到真实值的50％。定子电阻的误差将会造成无速度传感器矢量控制模型无法准确估计转速。尤其感应电机低速运行时，无速度传感器矢量控制由于定子电阻变化带来的转速估算不准确以及启动转矩降低的问题会严重影响控制效果，甚至有可能造成无传感器感应电机驱动系统不稳定。

因此，研究无速度传感器感应电机定子电阻在线辨识技术可以提升感应电机低速控制精度和控制性能。然而，传统的感应电机定子电阻在线辨识方法很少关注转速观测器与定子电阻观测器的耦合关系。由于无速度传感器感应电机转速误差的原因，定子电流误差矢量由转速误差部分和定子电阻误差部分组成，造成定子电阻观测器与转速观测器存在耦合关系。并且，目前针对无速度传感器感应电机的定子电阻在线辨识方法，普遍存在轻载和空载时观测值不准确的问题，甚至部分文献建议在轻载和空载下移除定子电阻观测器。所以，研究感应电机定子电阻与转速的解耦并行在线辨识方法具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的针对无速度传感器感应电机的定子电阻在线辨识方法，存在轻载和空载时观测值不准确的问题，而提出一种感应电机定子电阻与转速并行解耦辨识方法。

一种感应电机定子电阻与转速并行解耦辨识方法，所述的方法通过以下步骤实现：

步骤一、设计转子磁链误差和定子电流误差的关系：

式中，

表示定子电流误差，

表示转子磁链误差；L_m表示感应电机互感；θ表示感应电机功角，是电子电流与转子磁链之间的夹角；

步骤二、采用步骤一的转子磁链误差和定子电流误差的关系，解耦定子电流误差中定子电阻误差部分，得到的定子电阻误差部分表示为：

式中，

为定子电流误差

中的转速误差部分，

为定子电流误差

中的定子电阻误差部分；ω_e表示感应电机同步频率；

步骤三、利用步骤二中的定子电流误差、移相系数，确定定子电阻自适应率和感应电机转子转速自适应率，确定的定子电阻自适应率表达式为：

式中，

表示；K_p和K_i为定子电阻观测器的可调节PI参数；

表示估计定子电流；

感应电机转子转速自适应率为：

其中，K_pω、K_iω分别是转子转速观测器的可调节PI参数；

表示定子电流误差

的矩阵转置；

表示估计转子磁链；

步骤四、通过PI调节器估算感应电机定子电阻值。

本发明的有益效果为：

采用移相补偿的方法移相补偿无速度传感器感应电机定子电阻观测器，实现定子电阻观测器与转速观测器的解耦，保证了定子电阻观测与转速的解耦，同时减小转矩变化对定子观测器的影响。通过电流误差中转速误差部分和定子电阻误差部分的关系，推导出了移相补偿系数。实现了对基于全阶观测器的无速度传感器感应电机定子电阻观测器的精确补偿，确保了低速轻载工况下，定子电阻观测值的精度和准确度。

附图说明

图1矢量控制系统和全阶观测器框图；

图2磁链误差与电流误差矢量关系图；

图3传统基于全阶观测器的定子电阻观测流程图；

图4本发明改进的基于全阶观测器的定子电阻观测流程图；

图5感应电机带5％额定负载，转速阶跃变化对比实验；

图6感应电机带50％额定负载，转速阶跃变化对比实验；

图7感应电机转子转速5Hz，转矩阶跃变化对比实验；

图8感应电机转子转速10Hz，转矩阶跃变化对比实验；

图9为本发明的方法流程图。

图中，Torque表示转矩，Estimated speed表示估计的感应电机转子转速，Estimated Rs表示估计的感应电机定子电阻

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的一种感应电机定子电阻与转速并行解耦辨识方法，所述的解耦辨识方法通过以下步骤实现：

步骤一、设计转子磁链误差和定子电流误差的关系：

式中，

表示定子电流误差，

式中，

为定子电流误差

中的转速误差部分，

为定子电流误差

中的定子电阻误差部分；ω_e表示感应电机同步频率；

步骤三、利用全阶观测器观测出的值，以及步骤二中的定子电流误差、移相系数，确定定子电阻自适应率和感应电机转子转速自适应率，确定的定子电阻自适应率表达式为：

式中，

表示；K_p和K_i为定子电阻观测器的可调节PI参数；

表示估计定子电流；

感应电机转子转速自适应率为：

其中，K_pω、K_iω分别是转子转速观测器的可调节PI参数；

表示定子电流误差

的矩阵转置；

表示估计转子磁链；

步骤四、通过PI调节器估算感应电机定子电阻值。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的一种感应电机定子电阻与转速并行解耦辨识方法，步骤一所述的设计转子磁链误差和定子电流误差的关系的过程为：

步骤一1、选择定子电流和转子磁链作为状态变量，确定感应电机数学模型为：

是定子电流，

是转子磁链，

是电机输入电压，

R_s表示感应电机定子电阻，R_r表示感应电机转子电阻，L_s表示感应电机定子电感，L_r表示感应电机转子电感，L_m表示感应电机互感，T_r表示感应电机转子时间常数，δ是漏感系数，ω_e表示感应电机同步频率，ω_r表示感应电机转子频率，ω_s表示感应电机转差频率；

步骤一2、选择转子转速和定子电阻作为观测量，设其他电机参数已知；选择定子电流和转子磁链作为状态变量，全阶观测器模型表示为：

其中，

是估计定子电流，

是估计转子磁链，

是估计转子转速，

是估计定子电阻阻值；

步骤一3、由式(1)的感应电机数学模型和式(2)的全阶观测器模型得到误差矢量方程为：

其中，

电流误差

磁链误差

步骤一4、根据式(3)，由波李雅普诺夫稳定性定理推导出转速自适应率和定子电阻自适应率为：

其中，K_pω、K_iω分别是转子转速观测器的可调节PI参数，K_pR、K_iR是定子电阻观测器的可调节PI参数；

步骤一5、式(3)做拉氏变换，得：

其中，s是拉式算子；

步骤一6、求解式(6)，定子电流误差中转速误差部分和定子电阻误差部分可以表示为：

其中，

步骤一7、在矢量控制系统中假设电流矢量与转子磁链矢量的关系如图2所示，可以表示为：

其中，

θ表示感应电机功角，即定子电流与转子磁链之间的夹角；

步骤一8、将

定子电流与转子磁链之间的夹角θ带入式(10)后，求得磁链误差的表达形式为：

具体实施方式三：

与具体实施方式二不同的是，本实施方式的一种感应电机定子电阻与转速并行解耦辨识方法，步骤二所述的采用步转子磁链误差和定子电流误差的关系，解耦定子电流误差中定子电阻误差部分的过程为：

步骤二1、电流误差

由转速误差部分

和定子电阻误差部分

组成，电流误差表示为：

其中，

表示感应电机定子电流误差，

表示感应电机定子电流误差中转速误差部分，

表示感应电机定子电流误差中定子电阻误差部分；

步骤二2、结合式(7)、(8)、(9)和(11)，求得电流误差中转速误差部分和定子电阻误差部分的关系为：

根据电机参数、转速以及电功角计算幅值关系A(ω_e,θ)和相角关系

所述的电机参数为电机的电气参数，包括定子电阻转子电阻；

步骤二3、根据计算的幅值关系和相位关系，确认移相系数L(ω_e,θ)，公式为：

步骤二4、将电流误差中转速误差部分和定子电阻误差部分的关系带入步骤二1中的转子磁链误差和定子电流误差的关系，即得定子电阻误差部分为：

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的一种感应电机定子电阻与转速并行解耦辨识方法，步骤三所述的确定定子电阻自适应率的过程为：

使用定子电阻误差项式(11)作为定子电阻自适应率中误差矢量，定子电阻观测流程如图4所示，定子电阻自适应率表示为：

具体实施方式五：

与具体实施方式四不同的是，本实施方式的一种感应电机定子电阻与转速并行解耦辨识方法，所述的解耦辨识方法还包括采集感应电子定子端的输入电压和实际的三相相电流的步骤，并在步骤一之后进行，用于步骤二计算幅值关系和相位关系。

实施例：

选择定子电流和转子磁链作为状态变量，感应电机数学模型为：

是定子电流，

是转子磁链，

是电机输入电压，

R_s表示感应电机定子电阻，R_r表示感应电机转子电阻，L_s表示感应电机定子电感，L_r表示感应电机转子电感，L_m表示感应电机互感，T_r表示感应电机转子时间常数，δ是漏感系数，

ω_e表示感应电机同步频率，ω_r表示感应电机转子频率，ω_s表示感应电机转差频率。

选择转子转速和定子电阻作为观测量，假设其他电机参数已知。选择电流和磁链作为状态变量，全阶观测器模型可以表示为：

其中，

是估计定子电流，

是估计转子磁链，

是估计转子转速，

是估计定子电阻阻值。

由感应电机数学模型和全阶观测器模型，得到误差矢量方程为：

其中，

电流误差

磁链误差

根据误差矢量方程，由波李雅普诺夫稳定性定理可以推导出转速自适应率和定子电阻自适应率为：

其中，K_pω,K_iω分别是转子转速观测器的可调节PI参数,K_pR，K_iR是定子电阻观测器的可调节PI参数.

误差矢量方程做拉氏变换，得：

其中，s是拉式算子。求解后，定子电流误差中转速误差部分和定子电阻误差部分可以表示为：

其中，

在矢量控制系统中假设电流矢量与转子磁链矢量的关系如图2所示，表示为：

其中，

θ表示感应电机功角，即定子电流与转子磁链之间的夹角。

带入后，求得磁链误差的表达形式为：

结合定子电流误差中转速误差部分和定子电阻误差部分、

以及

求得电流误差中转速误差部分和定子电阻误差部分的关系可以表示为：

因此，电流误差中定子电阻误差项可以表示为：

其中，

A(ω_e,θ)和

分别是误差矢量方程的幅值关系和相角关系。

在定子电阻观测器自适应率中使用电流误差中的定子电阻误差项作为误差矢量，定子电阻观测流程如图4所示，定子电阻观测器自适应率可以表示为：

以7.5kW感应电机为实际控制对象，定子电阻初始值为1.142Ω，在低速和轻载工况下，实验验证本发明所提出的方法。图5表示感应电机带5％额定负载，转子转子阶跃变化，从10Hz减小到1Hz，图5(a)、图5(b)分别是使用传统定子电阻辨识方法和本发明改进的定子电阻辨识方法。使用传统的定子电阻辨识方法，当转子转速大约3Hz时，定子电阻观测值偏离实际值达到13％。而当转子转速为1Hz时，定子电阻观测剧烈波动，且偏离实际值达到12％。与传统的方法相比，在转速大于等于3Hz时，尽管转速阶跃变化，改进的定子电阻辨识方法的观测值保持稳定。并且在转速1Hz时，观测值波动较小。图6表示感应电机带50％额定负载，转子转子阶跃变化，从10Hz减小到1Hz，图6(a)、图6(b)分别是使用传统定子电阻辨识方法和本发明改进的定子电阻辨识方法。使用传统的定子电阻辨识方法，定子电阻观测值偏离实际值最大达到12％。与传统的方法相比，尽管转速阶跃变化，改进的定子电阻辨识方法的观测值保持稳定，并且在转速1Hz时，观测值波动较小。对比实验表明，本发明所述的改进方法在转速阶跃变化时感应电机重载和轻载工况下观测值的精度和精确度较好。

图7表示感应电机转子转速为5Hz时，转矩阶跃变化，从5％增加到105％额定负载，图7(a)、图7(b)分别是使用传统定子电阻辨识方法和本发明改进的定子电阻辨识方法。图8表示感应电机转子转速为10Hz时，转矩阶跃变化，从5％增加到105％额定负载，图8(a)、图8(b)分别是使用传统定子电阻辨识方法和本发明改进的定子电阻辨识方法。图7(a)、图8(a)显示在转矩从5％增加到30％额定负载时，定子电阻观测值出现10％幅度的阶跃下降。从图7(b)、图8(b)的对比实验中看，使用本发明所述的改进方法的定子电阻观测值在转矩阶跃变化时保持稳定。并且，改进方法的定子电阻观测器波动较小。对比实验表明，本发明所述的改进方法在转矩阶跃变化时感应电机低速工况下观测值的精度和精确度较好。

从上述转速和转矩阶跃的对比实验结果来看，采用本发明改进的定子电阻观测方法对转速和转矩变化的鲁棒性更好。实现了感应电机定子电阻观测器与转速观测器的解耦辨识。同时，也解决了低速轻载工况下，感应电机定子电阻观测值不稳定的问题。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。