CN111146994A - 一种异步电机无速度传感器矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异步电机无速度传感器矢量控制方法，该方法包括以下步骤：转子磁场定向负载角校正步骤：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，并基于转速闭环调节控制步骤的结果控制励磁电流给定值或对转差频率进行矫正；转速闭环调节控制步骤：根据转速给定信号和转速重构模块得到的转速重构信号构建转速闭环，获取控制系统的q轴电流给定值或转差频率，并通过转速重构模块得到的转速重构信号进行角速度换算后，结合转差频率获取定子角频率。与现有技术相比，本发明解决了转子磁场准确定向的技术难题，并在此基础上重构电机转速信号，具有良好的准确性和鲁棒性等优点。

Description

一种异步电机无速度传感器矢量控制方法

技术领域

本发明涉及异步电机自适应控制技术领域，尤其是涉及一种异步电机无速度传感器矢量控制方法。

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。

在异步电机传动系统中，为了满足高性能控制的要求，通常需要用转速反馈信号进行闭环控制。转速反馈信号的获取分为两种，一种是利用转速传感器获得转速信号，另外一种是利用电机的运行参数重构转速信号，过程中无速度传感器的参与。

传统的电机转速测速多采用测速发电机、光电数字脉冲编码器、旋转变压器等速度传感器。但是速度传感器的安装增加了控制系统的成本，存在安装与维护上的困难，并使系统易受干扰，且不适用于复杂的温度环境以及易燃易爆场合，甚至成为系统的一种故障源，这会影响到异步电机调速系统的简单性、廉价性和可靠性。

无速度传感器采用的算法有模型参考自适应法、扩展卡尔曼滤波法、神经网络法等等。如前所述，这些方法还远不成熟，其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。

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异步电机无速度传感器矢量控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种异步电机无速度传感器矢量控制方法，该方法主要包括以下步骤：

转子磁场定向负载角校正步骤：

根据d-q同步旋转坐标下的电流和电压信号，基于负载角进行转子磁场准确定向，并基于转速闭环调节控制步骤的结果控制励磁电流给定值或对转差频率进行矫正。具体地：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推导出负载角的可调模型：

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的之间的相角差直接进行补偿校正，获得转子磁场准确定向。转子磁场定向调控的输出值与转速闭环调节步骤的输出值相关。当转速闭环调节的输出值为q轴电流给定值

时，则转子磁场定向的输出值为

直接调控励磁电流。当转速闭环调节步骤的输出值为转差频率ω_s时，则转子磁场定向模块的输出值为Δω，对转差频率进行矫正。

转速闭环调节步骤：

在转子磁场准确定向的条件下，基于无速度传感器原理，根据转速给定信号n^*和转速重构模块得到的转速重构信号

构建转速闭环，获取用以控制系统的q轴电流给定值

并由d、q轴电流计算出转差频率。

其中，在转子磁场准确定向的条件下，转速重构信号由转速重构模块估算得到，其估算式为：

其中：

式中，p为电机的极对数，L_s为定子绕组电感，J为电机轴系的转动惯量。

获取定子角频率步骤：

由转差频率与经角速度换算后的转速重构信号相加获取定子角频率。

将上述步骤获取的参数反馈到异步电机的控制系统中，对异步电机进行基于无速度传感器的矢量控制。

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)本发明基于无速度传感器技术原理，根据转速给定信号和转速重构模块得到的转速重构信号构建转速闭环，减少了速度反馈环节的硬件误差和潜在故障源，且节约了成本；

3)本发明重构转速信号无需费时费资源的复杂冗繁算法；在转子磁场准确定向和定子d轴磁链闭环调控的基础上，通过对定子电流等信号进行运算，重构出电机转速信号，具有良好的准确性和鲁棒性，对电机传动轴系的转动惯量不敏感，其转速闭环可获得良好的动态、稳态特性。

附图说明

图1为本发明实施例中异步电机无速度传感器矢量控制方法的结构示意图；

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为本发明实施例中无速度传感器模块示意图；

图4为本发明实施例中转差角频率计算示意图；

图5为本发明实施例中转速重构示意图；

图6为本发明实施例中角速度换算示意图。

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

本发明涉及一种异步电机无速度传感器矢量控制方法，本实施例以采用电流跟踪型PWM逆变器为例对本发明方法进行说明，如图1所示。本发明方法亦可适用于采用电压源型SVPWM逆变器的异步电机变频调速矢量控制系统。

一种异步电机无速度传感器矢量控制方法，工作原理在于：由转速给定n^*，经转速闭环调节获得定子角频率给定值ω₁和同步旋转坐标下q轴电流给定值

由转子磁场定向负载角校正后，获得同步旋转坐标下d轴电流给定值

经旋转坐标变换、电流跟踪PWM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。

转子磁场定向负载角校正的主要内容为：由同步旋转坐标系d轴和q轴电流、电压信号，构造负载角的参考模型和可调模型，将两者所得的负载角做差进行闭环控制，对负载角进行矫正后，获得转子磁场准确定向，控制励磁电流给定值

如图2所示，具体内容为：

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。

由实测电流获得负载角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，获得转子磁场准确定向。其调控输出值与转速闭环调节的输出值相关。本实施例转速闭环调节的输出值为q轴电流给定值

则转子磁场定向负载角校正的输出值为

直接调控励磁电流。若用于实施例转速闭环调节的输出值为转差频率ω_s，则转子磁场定向负载角校正的输出值为Δω，对转差频率进行矫正。

转速闭环调节步骤主要包含两部分内容，如图3所示。一部分由转速给定信号n^*和转速重构信号

做差经PI调节形成转速闭环控制，其输出信号为q轴电流给定值

另一部分由转速重构信号

经角速度换算后，与转差计算模块得到的转差角频率ω_s相加，得到定子角频率ω₁。

其中，转差计算模块的原理如图4所示，转差角频率ω_s的计算式为：

式中，T_r为转子时间常数。

在转子磁场准确定向的条件下，转速重构信号

由转速重构模块估算得到，其估算式为：

其中：

式中，p为电机的极对数，L_s为定子绕组电感，J为电机轴系的转动惯量。

对转速重构信号

的角速度换算如图6所示，换算后的转子角速度ω_r为：

本发明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，鲁棒性优良的优点。采用重构转速信号的无速度传感器技术，减少了速度反馈环节的硬件和潜在故障源，且节约了成本；重构转速信号无需费时费资源的复杂冗繁算法，在转子磁场准确定向和定子d轴磁链闭环调控的基础上，通过对定子电流等信号进行运算，重构出电机转速信号，具有良好的准确性和鲁棒性，对电机传动轴系的转动惯量不敏感，其转速闭环可获得良好的动态、稳态特性。

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)

1.一种异步电机无速度传感器矢量控制方法，该方法包括以下步骤：

转子磁场定向负载角校正步骤：

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，控制励磁电流给定值或对转差频率进行矫正；

转速闭环调节步骤：

基于无速度传感器原理，根据转速给定信号和转速重构模块得到的转速重构信号构建转速闭环，获取控制系统的q轴电流给定值，并由d、q轴电流计算出转差频率；

获取定子角频率步骤：

由转差频率与经角速度换算后的转速重构信号相加获取定子角频率。

2.根据权利要求1所述的一种异步电机无速度传感器矢量控制方法，其特征在于，所述的转子磁场定向负载角校正步骤的具体内容为：

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，获得转子磁场准确定向；若转速闭环调节控制步骤的输出值为q轴电流给定值

则转子磁场定向负载角校正步骤的输出值为

直接调控励磁电流；若转速闭环调节控制步骤的输出值为转差频率ω_s，则转子磁场定向负载角校正步骤的输出值为Δω，对转差频率进行矫正。

3.根据权利要求1所述的一种异步电机无速度传感器矢量控制方法，其特征在于，所述的转速闭环调节步骤中，获取转速重构信号的估算式为：

其中：

式中，p为电机的极对数，L_s为定子绕组电感，J为电机轴系的转动惯量，i_d、i_q分别为同步旋转坐标下的d轴电流、q轴电流，

为转速闭环输出的q轴电流给定值。

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