CN111092579B - 带有定子温度在线监测的异步电机自适应矢量控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有定子温度在线监测的异步电机自适应矢量控制系统，包括：转子磁场准确定向模块，用于根据d‑q同步旋转坐标下的电流和电压信号，基于负载角补偿校正进行转子磁场准确定向；定子磁链调节模块，用于对定子d轴磁链进行闭环控制，并对定子电阻辨识进行修正；定子电压解耦模块，用于对d轴电压、q轴电压进行解耦；定子电阻压降补偿模块，用于根据定子磁链调节模块的输出结果对定子电阻压降进行补偿；定子绕组温度监测模块，用于根据定子电阻辨识修正的结果对定子绕组温度和温升进行在线监测。与现有技术相比，本发明具有转子磁场定向准确、磁链估算准确、电压解耦简捷，定子绕组的温度监测便捷等优点。

Description

带有定子温度在线监测的异步电机自适应矢量控制系统

技术领域

本发明涉及异步电机监测技术领域，尤其是涉及一种带有定子温度在线监测的异步电机自适应矢量控制系统。

背景技术

异步电机变频调速转子磁场定向矢量控制可以将异步电机固有的非线性机械特性改造成与直流电机相似的线性机械特性，而且电流与磁链之间完全解耦，具备了达到直流电机调速控制优良性能的基本条件。因而转子磁场定向是异步电机矢量控制中最值得深入研究和完善的控制技术。但是在转子磁场定向矢量控制技术的几十年发展历程中，由于受到电机转子电阻Rr和时间常数Tr随运行状态与温度不同而大幅度变化的影响，使转子磁场定向难以准确，成为阻碍高性能变频调速技术发展一直悬而未决的难题。现有技术研究解决这个问题的方法和途径主要有两类：

1、采用各种不同方法建立转子磁链的数学模型，对转子磁链进行反馈闭环控制。再用非常复杂的参数辨识算法(模糊逻辑算法、神经网络算法、蚁群算法、遗传算法……等等，这些算法还远不成熟)，对模型中的转子电阻Rr和时间常数Tr进行离线或在线辨识修正。这类方法显而易见的缺点是大大增加了控制系统的复杂性，甚至有可能对控制系统的稳定性，可靠性，快速性和准确性带来严重的负面效果。

2、采用各种不同的磁通观测技术，诸如全阶状态观测器、滑模观测器、卡尔曼滤波器、模型参考观测器……等等，都还存在各种各样的问题，目前还处于研究实验阶段，实际用于交流电机的磁通准确观测还有较大距离。

异步电机属于多变量严重交叉耦合的非线性系统，其转子磁场位置随负载变化而飘忽不定，不像同步电机转子磁场的物理位置有明确的可观性，一直以来异步电机转子磁场定向矢量控制的总体思路采用逆向思维方式，在假设转子磁场定向的前提条件下，推导出能将各种交叉耦合因素解耦而达到转子磁场定向必须满足的约束条件，然后寻求如何实现这些约束条件的控制策略。约束条件中包含了磁链准确辨识、参数准确辨识、电压解耦等错综复杂的因素交叉耦合。虽然经过各种各样的改进努力，到目前为止转子磁场准确定向问题仍然没有得到很好的解决，仍然是制约异步电机矢量控制高性能变频调速技术的基础性关键技术难题。

转子磁场定向矢量控制的现有技术都是以转子磁链的估算值作为反馈量，对转子磁链进行闭环跟踪控制，电流与磁链之间基本解耦，但是d轴、q轴电压与d轴、q轴电流以及转子磁链之间仍然存在严重交叉耦合，电压方程如下式：

其中：u_d、u_q、i_d、i_q分别d、q轴电压和电流，ω₁为定子角频率，L_S为定子电感，σ为漏磁系数，ψ_r为转子磁链。

由于受到转子电阻Rr和时间常数Tr随运行状态与温度不同而大幅度变化的影响，转子磁链ψ_r的估算很难准确，使得电压交叉解耦变得非常复杂和困难，严重影响变频调速矢量控制的性能。为此，现有技术采用各种非常复杂参数辨识算法，诸如模糊逻辑算法、神经网络算法、蚁群算法、遗传算法……等等，对转子电阻Rr和时间常数Tr进行离线或在线辨识修正。这些算法还远不成熟，这类方法显而易见的缺点是大大增加了控制系统的复杂性，甚至有可能对控制系统的稳定性，可靠性，快速性和准确性带来严重的负面效果。所以，如何对转子磁链ψ_r进行准确的估算，简化电压交叉耦合，仍然没有良好解决，成为制约高性能变频调速矢量控制技术的瓶颈之一。

众所周知，由于电压方程存在定子电阻压降R_si_d和R_si_q，尤其是当定子电阻R_s随温度不同而大幅度变化，对变频调速在低速和启动状态下的性能将产生非常严重的不利影响。因而现有技术采用各种各样非常复杂的R_s参数辨识算法，诸如模糊逻辑算法、神经网络算法、蚁群算法、遗传算法……等等，但这些算法还远不成熟。迄今为止如何简捷、准确的在线辨识定子电阻R_s仍然处于探索研究之中。

定子绕组的温度监测对电机的安全运行非常重要。目前常采用两种方法监测定子绕组的温度：一种是在绕组中埋置温度传感器，只能得到绕组的局部温度检测值，且增加了成本和故障源；另一种为间接估测法，又分为模型损耗估测法和绕组电阻随温度变化估测法。模型损耗计算法所依赖等效热源的分布与计算方法还处于研究探索阶段。绕组电阻随温度变化估测法需要对绕组的电阻R_s进行实时在线准确辨识检测，其方法如前所述仍然处于探索研究之中。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带有定子温度在线监测的异步电机自适应矢量控制系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

带有定子温度在线监测的异步电机自适应矢量控制系统，包括：

a)转子磁场准确定向模块：

该模块用于根据d-q同步旋转坐标下的电流和电压信号，基于负载角补偿校正进行转子磁场准确定向。具体内容为：

利用d-q同步旋转坐标下的电流和电压信号，构造一种不含定子电阻R_r和转子电阻R_r的负载角θ的参考模型：

其中：

σ为电机的漏磁系数，其计算式为：

式中，i_d、i_q、u_d、u_q分别为同步旋转坐标下的d轴电流、q轴电流、d轴电压、q轴电压信号，L_r、L_s、L_m分别为电机转子电感、定子电感和互感，ω₁为定子角频率；

根据d-q同步旋转坐标下的实测电流信号获取负载角的可调模型：

将两种模型负载角的正切值作差输入PI调节器，对转子磁链与定子电流之间的相角差直接进行补偿校正，输出信号为角频率补偿值Δω，补偿后的定子角频率为ω₁＝ω_s+Δω+ω_r，ω_r为转子角速度，ω_s为转差角频率。

b)定子磁链调节模块：

该模块用于对定子d轴磁链进行闭环控制，并对定子电阻辨识进行修正。具体地：在转子磁场准确定向条件下对定子d轴磁链进行闭环控制，将d轴参考磁链

与实际磁链ψ_d＝L_si_d的差值作为定子磁链调节模块的输入，采用PI控制调节，输出定子电阻的辨识修正值

c)定子电压解耦模块：

该模块用于在转子磁场准确定向和定子d轴磁链进行闭环控制条件下对d轴电压、q轴电压进行解耦。计算式分别为：

d轴：V_d-dec＝-ω₁σL_si_q

q轴：

d)定子电阻压降补偿模块：

该模块用于根据定子磁链的输出结果对定子电阻压降进行补偿。当磁链闭环控制使定子电阻的辨识修正值

与定子电阻的实际值R_s相等，定子电阻压降得到完全补偿，彻底解决低速和启动状态下定子电阻变化对变频调速性能的不利影响。定子压降补偿的计算式为：

e)定子绕组温度监测模块：

该模块用于根据定子电阻辨识修正的结果对定子绕组温度和温升进行在线监测。具体地：

当电机初次启动其温度与电机冷却介质温度A_s0一致时，在启动达到转速稳定的较短时间内，获取根据定子磁链调节模块得到的定子电阻的辨识修正值

在电机正常工作过程中，获取当前电机冷却介质检测温度A_s1以及此时根据定子磁链调节模块得到的定子电阻的辨识修正值

则定子绕组的实时估测温度

的表达式为：

式中：β_r为转子绕组导体材料的电阻温度系数(铜：β_r＝234.5，铝：β_r＝225)。

根据定子绕组的温度计算当前定子绕组的温升ΔA_s，其计算式为：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明将隐含在磁链辨识、参数辨识、解耦控制相互交织之中的磁场准确定向问题分离解脱出来，独辟蹊径，从分析异步电机负载角θ(定子电流矢量与转子磁链矢量之间的相角差)与转子磁场位置的关系入手，构造出一种与定子电阻、转子电阻均不相关的转子负载角参考模型，根据d-q同步旋转坐标下的实测电流信号获得负载角的可调模型，并以两种负载角正切值的差值输入PI调节器，对转子磁链与定子电流之间的相角差直接进行补偿校正，实现了转子磁场定向的独立控制，具有定向准确、控制策略简捷高效、稳定性好、收敛速度快，且不受电机定、转子电阻参数变化影响，鲁棒性优良，从而解决了矢量控制中最基础最关键的转子磁场准确定向难题；

2)本发明在转子磁场准确定向的条件下，跳出现有技术对转子磁链进行闭环控制的模式局限，取而代之对定子d轴磁链进行闭环控制，完全避开了转子电阻Rr和时间常数Tr的不利影响，比较简捷地实现定子d轴磁链的准确计算和闭环控制，同时也极大地简化了电压的交叉解耦，从而大幅度提高了控制系统的快速性和准确性，解决了转子磁场定向矢量控制中磁链估计不准确和电压交叉解耦复杂的技术难题；

3)本发明在转子磁场准确定向和电压解耦的条件下，将引起磁链误差的因素归结为定子电阻的变化，巧妙地利用磁链闭环控制同时完成定子电阻的辨识，并对定子电阻压降进行补偿。在磁链闭环控制处于稳态时，确定定子电阻压降得到完全补偿，解决了困扰变频调速技术在低速和启动状态下受到定子电阻大幅度变化对性能的严重不利影响问题。

4)本发明对定子绕组的温升监测既无需依赖对等效热源的分析计算，也无需引入费时费资源的复杂冗繁算法，更无需专门的硬件支持，依托本发明中转子磁场准确定向和电压解耦的支撑，根据定子d轴磁链调节控制对定子电阻进行辨识和计算，即可实现定子绕组温度、温升的在线实时监测，不受硬件设备自身特性以及工作环境的电磁干扰等因素的影响，简便易行，准确性好，实用性强；

5)本发明控制过程简捷高效，避免了现有技术中对磁链估算、电压解耦、参数辨识等采用非常复杂冗繁的算法以及控制系统复杂，甚至有可能对控制系统的稳定性、可靠性、快速性和准确性带来严重负面效果的缺陷；具有稳定可靠，鲁棒性好，对负载变化、电压变化的抗扰动性优良，对转矩指令变化的跟随性优良，经济性好等优点。

附图说明

图1为本发明实施例中带有定子温度在线监测的异步电机自适应矢量控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中转子磁场定向负载角校正示意图；

图3为本发明实施例中定子d轴磁链调节控制和定子电阻辨识示意图；

图4为本发明实施例中电压解耦控制示意图；

图5为本发明实施例中定子电阻压降补偿示意图；

图6为本发明实施例中定子绕组温度检测示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明涉及一种带有定子温度在线监测的异步电机自适应矢量控制系统，该系统包括：

转子磁场准确定向模块，用于根据d-q同步旋转坐标下的电流和电压信号，基于负载角补偿校正进行转子磁场准确定向。

定子磁链调节模块，用于对定子d轴磁链进行闭环控制，并对定子电阻辨识进行修正。

定子电压解耦模块，用于根据转子磁场准确定向和定子d轴磁链进行闭环控制结果对d轴电压、q轴电压进行解耦。

定子电阻压降补偿模块，用于根据定子磁链调节模块的输出结果对定子电阻压降进行补偿。

定子绕组温度监测模块，用于根据定子电阻辨识修正的结果对定子绕组温度和温升进行在线监测。

本发明系统如图1所示，工作原理为：

由转速给定n^*、转速反馈n和转速调节器构成的转速外环得到转差信号ω_s与经转子磁场定向模块对负载角校正后输出转差补偿Δω_s以及转速信号ω_r相加，得到准确的定子角频率ω₁＝ω_s+Δω+ω_r。

在转子磁场准确定向的条件下，对定子d轴磁链进行闭环调节，修正导致磁链误差的因素，得到定子电阻的修正值

在转子磁场准确定向和定子d轴磁链闭环控制的条件下，定子电压的交叉耦合被大大简化。由补偿后的定子角频率ω₁和i_q经电压解耦得到V_d-dec和V_q-dec。

经电压解耦后，当磁链闭环控制使定子电阻修正值

与实际值R_s相等，可完全补偿定子电阻变化后的电压降。

将补偿后的定子角频率ω₁与d轴磁链给定值

相乘，加上补偿后的定子电阻压降V_d-comp、V_q-comp以及电压解耦项V_d-dec、V_q-dec后，形成电压控制信号

和

再经过由电压源逆变器馈电的SVPWM和逆变器控制电机变频调速运行。坐标变换需要的空间位置角γ由ω₁积分得到。

本发明系统的实现方法包括以下步骤：

步骤二、转子磁场准确定向模对负载角进行闭环校正的转子磁场准确定向，如图2所示，由d-q同步旋转坐标下的电流和电压信号，构造一种既不含定子电阻R_s也不含转子电阻R_r的负载角θ的参考模型：

其中：

σ为电机的漏磁系数，其计算式为：

式中，i_d、i_q、u_d、u_q分别为同步旋转坐标下的d轴电流、q轴电流、d轴电压、q轴电压信号，L_r、L_s、L_m分别为电机转子电感、定子电感和互感。ω₁为定子角频率。

由实测电流获取负载角θ的可调模型：

将两种模型负载角的正切值作差输入PI调节器，对转子磁链与定子电流的相角差直接进行补偿校正，输出信号为角频率补偿值Δω，补偿后的定子角频率为ω₁＝ω_s+Δω+ω_r，ω_r为转子角速度，ω_s为转差角频率。

步骤二、定子磁链调节模块对定子d轴磁链进行闭环控制，并对定子电阻辨识进行修正，如图3所示：

在转子磁场准确定向条件下对定子d轴磁链进行闭环控制，既为简化电压解耦创造有利条件，又巧妙地完成了定子电阻的在线辨识。参考磁链

与实际磁链ψ_d＝L_si_d的差值作为定子磁链调节单元的输入，调节单元采用PI控制，其输出为定子电阻的辨识修正值

步骤三、在转子磁场准确定向和定子d轴磁链进行闭环控制条件下，定子电压解耦模块对电压进行解耦，如图4所示，具体计算式为：

d轴：V_d-dec＝-ω₁σL_si_q

q轴：

步骤四、定子电阻压降补偿模块对定子电阻压降进行补偿，如图5所示：

当磁链闭环控制使定子电阻修正值与实际值相等

时，定子电阻压降R_si_d和R_si_q得到完全补偿，彻底消除低速和启动状态下定子电阻变化对变频调速性能的不利影响。

定子压降补偿的计算式为：

步骤五、结合步骤三的电阻辨识结果，定子电阻压降补偿模块对定子绕组温度进行在线监测，如图6所示：

当电机初次启动其温度与电机冷却介质温度A_s0一致时，在启动达到转速稳定的较短时间内，获取根据定子磁链调节模块得到的定子电阻的辨识修正值

在电机正常工作过程中任一时间点，获取电机冷却介质检测温度A_s1以及此时根据定子磁链调节模块得到的定子电阻的辨识修正值

则定子绕组此时估测温度

的表达式为：

式中：β_r为转子绕组导体材料的电阻温度系数(铜：β_r＝234.5，铝：β_r＝225)

根据定子绕组的温度计算当前定子绕组的温升ΔA_s，其计算式为

本发明具有转子磁场定向准确、磁链估算准确、电压解耦简捷，对定子电阻的变化进行自适应控制等特点，控制策略简捷高效，避免了复杂繁冗的运算及相应的硬件开销，控制系统具有稳定性好，鲁棒性好，对负载变化、电压变化的抗扰动性优良，对转矩指令变化的跟随性优良。无需传感器便捷实现定子绕组温度在线监控，不受硬件设备自身特性以及工作环境的电磁干扰等因素的影响，操作简便，实用性强。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.带有定子温度在线监测的异步电机自适应矢量控制系统，其特征在于，该系统包括：

转子磁场准确定向模块，用于根据d-q同步旋转坐标下的电流和电压信号，基于负载角补偿校正进行转子磁场准确定向；

定子磁链调节模块，用于对定子d轴磁链进行闭环控制，并对定子电阻辨识进行修正；

定子电压解耦模块，用于在转子磁场准确定向和定子d轴磁链进行闭环控制条件下对d轴电压、q轴电压进行解耦；

定子电阻压降补偿模块，用于根据定子磁链调节模块的输出结果对定子电阻压降进行补偿；

定子绕组温度监测模块，用于根据定子电阻辨识修正的结果对定子绕组温度和温升进行在线监测；

转子磁场准确定向模块中对转子磁场进行准确定向的具体内容为：

利用d-q同步旋转坐标下的电流和电压信号，构造一种不含定子电阻R_r和转子电阻R_r的负载角θ的参考模型：

其中：

σ为电机的漏磁系数，其计算式为：

式中，i_d、i_q、u_d、u_q分别为同步旋转坐标下的d轴电流、q轴电流、d轴电压、q轴电压信号，L_r、L_s、L_m分别为电机转子电感、定子电感和定转子互感，ω₁为定子角频率；

根据d-q同步旋转坐标下的实测电流信号获取负载角θ的可调模型：

将两种模型负载角的正切值作差输入PI调节器，对转子磁链与定子电流之间的相角差直接进行补偿校正，输出信号为角频率补偿值Δω，补偿后的定子角频率为ω₁＝ω_s+Δω+ω_r，ω_r为转子角速度，ω_s为转差角频率；

定子磁链调节模块的具体内容为：

在转子磁场准确定向条件下对定子d轴磁链进行闭环控制，将d轴参考磁链

与实际磁链ψ_d＝L_si_d的差值作为定子磁链调节模块的输入，采用PI控制调节，输出定子电阻的辨识修正值

定子电压解耦模对d轴电压、q轴电压进行解耦的表达式分别为：

d轴：V_d-dec＝-ω₁σL_si_q

q轴：

式中，ω₁为定子角频率，i_q为d-q同步旋转坐标下的q轴电流信号，σ为电机的漏磁系数，L_s为电机定子电感。

2.根据权利要求1所述的带有定子温度在线监测的异步电机自适应矢量控制系统，其特征在于，定子电阻压降补偿模块对定子电阻压降进行补偿的具体内容为：

当定子磁链调节模块使定子电阻的辨识修正值

与定子电阻的实际值R_s相等，则判定定子电阻压降得到完全补偿，定子电阻压降补偿的计算式为：

式中，i_d、i_q分别为同步旋转坐标下的实测d轴电流、q轴电流信号。

3.根据权利要求1所述的带有定子温度在线监测的异步电机自适应矢量控制系统，其特征在于，定子绕组温度监测模块对定子绕组实时估测温度

的表达式为：

式中，β_r为转子绕组导体材料的电阻温度系数，

为在电机温度与冷却介质温度一致时初次启动达到转速稳定的较短时间内，根据定子磁链调节模块得到的定子电阻的辨识修正值，A_s0为对应此时的电机冷却介质检测温度；

为在电机正常工作过程中，根据定子磁链调节模块得到的定子电阻的辨识修正值，A_s1为对应此时的电机冷却介质检测温度；

根据定子绕组的温度计算当前定子绕组的温升ΔA_s，其计算式为：

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