CN111934590A - 一种基于全阶观测器的新型转速辨识方法及系统 - Google Patents

一种基于全阶观测器的新型转速辨识方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种基于全阶观测器的新型转速辨识方法及系统，方法包括：分别建立静止坐标系下三相异步电动机的实际状态方程和估算状态方程；基于所述实际状态方程和估算状态方程，计算得到转子磁链和定子电流的误差状态方程；基于转子磁链和定子电流的误差状态方程，定义以转子磁链和定子电流误差为变量的李亚谱诺夫函数；利用李亚谱诺夫稳定性理论和分析方法，获得基于转子磁链和定子电流为输入的转速控制律。本发明不需要安装专门的速度传感器，不需要增益矩阵，仅利用电动机的电气测量数据即可估算电动机转速，易于实现且免维护。

Description

一种基于全阶观测器的新型转速辨识方法及系统
技术领域
本发明涉及电气智能化领域，具体涉及一种基于全阶观测器的新型转速辨识方法及系统。
背景技术
随着电力电子技术和电气智能化的发展，越来越多的的电力拖动装置采用交流变频调速方法，为了获得更好的变频调速性能，很多变频调速装置采用闭环控制方法，而闭环控制通常需要知道电动机的转速或位置，而为了获得电动机转速或位置的信息，通常是安装专门的速度传感器来实时测量电动机的转速，安装专门的速度传感器虽然可以获得良好的转速测量结果，但这种方式增加了设备成本和维修难度，对于一些难于安装传感器的场合并不适用。
发明内容
鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本发明实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于全阶观测器的新型转速辨识方法，不需要安装专门的速度传感器，仅利用电动机的电气测量数据即可估算电动机转速，易于实现且免维护，具体方案如下：
作为本发明的第一方面，提供一种基于全阶观测器的新型转速辨识方法，所述方法包括：
步骤1，分别建立静止坐标系下三相异步电动机的实际状态方程和估算状态方程；
步骤2，基于所述实际状态方程和估算状态方程，计算得到转子磁链和定子电流的误差状态方程；
步骤3，基于转子磁链和定子电流的误差状态方程，定义以转子磁链和定子电流误差为变量的李亚谱诺夫函数；
步骤4，利用李亚谱诺夫稳定性理论和分析方法，获得基于转子磁链和定子电流为输入的转速控制律。
进一步地，步骤1中，静止的坐标系下三相异步电动机的实际状态方程和估算状态方程具体如下：
实际状态方程：
Figure BDA0002687394580000021
估算状态方程：
Figure BDA0002687394580000022
其中，
Figure BDA0002687394580000023
k2＝Lm/σLsLrTr，k3＝k2Tr，Tr＝Lr/Rr；
其中，其中，其中，Rs、Rr、Ls、Lr、Lm和ωr分别依次表示为定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感、激磁电感和电机角速度；isα、isβ、ψrα、ψrβ分别为α-β坐标系下定子电流和转子磁链；σ、B1和B2均为常量，Tr为转子时间常数，usα、usβ分别为α-β坐标系下定子电压；sgn为符号函数。
进一步地，步骤2中，基于所述实际状态方程和估算状态方程，计算得到转子磁链和定子电流的误差状态方程具体如下：
误差状态方程：
Figure BDA0002687394580000031
进一步地，步骤3中，基于转子磁链和定子电流的误差状态方程，定义以转子磁链和定子电流误差为变量的李亚谱诺夫函数具体如下：
Figure BDA0002687394580000032
其中，
Figure BDA0002687394580000033
进一步地，步骤4具体为：
基于李亚谱诺夫函数稳定性理论得到稳定性计算公式如下：
Figure BDA0002687394580000034
基于稳定性计算公式获得基于转子磁链和定子电流为输入的转速控制律，表示为如下公式：
Figure BDA0002687394580000035
其中，kp、ki分别为比例系数和积分系数。
作为本发明的第二方面，提供一种基于全阶观测器的新型转速辨识系统，所述系统包括：状态方程创建模块、误差方程创建模块、李亚谱诺夫函数创建模块和转速控制律计算模块；
所述状态方程创建模块用于分别建立静止坐标系下三相异步电动机的实际状态方程和估算状态方程；
所述误差方程创建模块用于基于所述实际状态方程和估算状态方程，计算得到转子磁链和定子电流的误差状态方程；
所述李亚谱诺夫函数创建模块用于基于转子磁链和定子电流的误差状态方程，定义以转子磁链和定子电流误差为变量的李亚谱诺夫函数；
所述转速控制律计算模块用于利用李亚谱诺夫稳定性理论和分析方法，获得基于转子磁链和定子电流为输入的转速控制律。
进一步地，静止的坐标系下三相异步电动机的实际状态方程和估算状态方程具体如下：
实际状态方程：
Figure BDA0002687394580000041
估算状态方程：
Figure BDA0002687394580000042
其中，
Figure BDA0002687394580000043
k2＝Lm/σLsLrTr，k3＝k2Tr，Tr＝Lr/Rr；
其中，Rs、Rr、Ls、Lr、Lm和ωr分别依次表示为定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感、激磁电感和电机角速度；isα、isβ、ψrα、ψrβ分别为α-β坐标系下定子电流和转子磁链；σ、B1和B2均为常量，Tr为转子时间常数，usα、usβ分别为α-β坐标系下定子电压；sgn为符号函数。
进一步地，基于所述实际状态方程和估算状态方程，计算得到转子磁链和定子电流的误差状态方程具体如下：
误差状态方程：
Figure BDA0002687394580000051
进一步地，基于转子磁链和定子电流的误差状态方程，定义以转子磁链和定子电流误差为变量的李亚谱诺夫函数具体如下：
Figure BDA0002687394580000052
进一步地，所述转速控制律计算模块具体用于：
基于李亚谱诺夫函数稳定性理论得到稳定性计算公式如下：
Figure BDA0002687394580000053
基于稳定性计算公式获得基于转子磁链和定子电流为输入的转速控制律，表示为如下公式：
Figure BDA0002687394580000054
其中，kp、ki分别为比例系数和积分系数。
本发明具有以下有益效果：
(1)通过采用一种基于全阶观测器的新型转速辨识方法，不需要增益矩阵，可以结合矢量控制或直接转矩控制予以实现提高变频调速系统的稳定性和鲁棒性；
(2)本发明不仅局限应用于由传统逆变器或矩阵变换器供电的异步电动机变频调速系统中，通过对状态方程进行适当的改造，同样适用于由传统逆变器或矩阵变换器供电的同步电动机变频调速系统中，扩展应用性强。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于全阶观测器的新型转速辨识方法流程图；
图2为本发明实施例提供的基于全阶观测器的新型转速辨识方法用于变频调速系统的矢量控制框图。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为了获得电动机转速或位置的信息，现有方法通常安装专门的速度传感器来实时测量电动机的转速，安装专门的速度传感器虽然可以获得良好的转速测量结果，但这种方式增加了设备成本和维修难度，对于一些难于安装传感器的场合并不适用，而对于转速辨识方法来讲，其不需要安装专门的速度传感器，仅利用电动机的电气测量数据即可估算电动机转速，易于实现且免维护。因此，如何提出一种适用于三相或多相异步电动机的转速辨识方法，提高变频调速系统的运行性能，并将其应用于由传统逆变器或矩阵变换器供电的异步电动机变频调速系统中，这是本发明主要考虑解决的问题。
鉴于上述问题，本发明提出一种基于全阶观测器的新型转速辨识方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤1，分别建立静止坐标系下三相异步电动机的实际状态方程和估算状态方程；
步骤2，基于所述实际状态方程和估算状态方程，计算得到转子磁链和定子电流的误差状态方程；
步骤3，基于转子磁链和定子电流的误差状态方程，定义以转子磁链和定子电流误差为变量的李亚谱诺夫函数；
步骤4，利用李亚谱诺夫稳定性理论和分析方法，获得基于转子磁链和定子电流为输入的转速控制律。
其中，步骤1中，静止的坐标系下三相异步电动机的实际状态方程和估算状态方程具体如下：
实际状态方程：
Figure BDA0002687394580000071
估算状态方程：
Figure BDA0002687394580000072
其中，
Figure BDA0002687394580000073
k2＝Lm/σLsLrTr，k3＝k2Tr，Tr＝Lr/Rr；
其中，其中，Rs、Rr、Ls、Lr、Lm和ωr分别依次表示为定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感、激磁电感和电机角速度，σ、B1和B2均为常量，Tr为转子时间常数，sgn为符号函数；
isα、isβ为α-β坐标系下的定子电流，其中，isα对应α轴向的量，isβ对应β轴向的量；
ψrα、ψrβ为α-β坐标系下的转子磁链，其中，ψrα对应α轴向的量，ψrβ对应β轴向的量；
usα、usβ分别为α-β坐标系下定子电压，其中，usα对应α轴向的量，usβ对应β轴向的量。
其中，步骤2中，基于所述实际状态方程和估算状态方程，计算得到转子磁链和定子电流的误差状态方程具体如下：
误差状态方程：
Figure BDA0002687394580000081
其中，步骤3中，基于转子磁链和定子电流的误差状态方程，定义以转子磁链和定子电流误差为变量的李亚谱诺夫函数具体如下：
Figure BDA0002687394580000082
其中，步骤4具体为：
基于李亚谱诺夫函数稳定性理论得到稳定性计算公式如下：
Figure BDA0002687394580000083
基于稳定性计算公式获得基于转子磁链和定子电流为输入的转速控制律，表示为如下公式：
Figure BDA0002687394580000091
其中，kp、ki分别为比例系数和积分系数。
作为本发明的第二方面，提供一种基于全阶观测器的新型转速辨识系统，所述系统包括：状态方程创建模块、误差方程创建模块、李亚谱诺夫函数创建模块和转速控制律计算模块；
所述状态方程创建模块用于分别建立静止坐标系下三相异步电动机的实际状态方程和估算状态方程；
所述误差方程创建模块用于基于所述实际状态方程和估算状态方程，计算得到转子磁链和定子电流的误差状态方程；
所述李亚谱诺夫函数创建模块用于基于转子磁链和定子电流的误差状态方程，定义以转子磁链和定子电流误差为变量的李亚谱诺夫函数；
所述转速控制律计算模块用于利用李亚谱诺夫稳定性理论和分析方法，获得基于转子磁链和定子电流为输入的转速控制律。
本发明通过在建立三相异步电动机在静止坐标系的状态方程基础之上，建立了一种由转子磁链、定子电流组成的状态变量估计模型，并由此获得了包含转子磁链、定子电流变量的误差状态方程，该误差方程中含有符号函数，定义由转子磁链和定子电流误差得出的李亚普诺夫函数，利用李亚普诺夫稳定性分析理论，为保证转子磁链和定子电流估计模型能够稳定于实际转子磁链和定子电流，其中，必须满足李亚普诺夫函数的微分小于0，通过理论计算，得出基于滑模控制的转速估计，为了提高转速估计动态性能，采用PI控制获得转速估计。
如图2所示，为将本发明提出的基于全阶观测器的新型转速辨识方法结合矢量控制用于变频调速系统无速度传感器的闭环控制中，控制框图如图2所示，电流环检测出定子电流iA、iB和iC，通过全阶观测器估算出电动机转速，并结合矢量控制应用到变频调速系统中，该变频调速系统的变频调速装置可以是传统逆变器或矩阵变换器，电动机可以是三相或多相电动机，除此之外，本发明提出的新型转速辨识方法同样适用于直接转矩控制中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于全阶观测器的新型转速辨识方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，分别建立静止坐标系下三相异步电动机的实际状态方程和估算状态方程；
步骤2，基于所述实际状态方程和估算状态方程，计算得到转子磁链和定子电流的误差状态方程；
步骤3，基于转子磁链和定子电流的误差状态方程，定义以转子磁链和定子电流误差为变量的李亚谱诺夫函数；
步骤4，利用李亚谱诺夫稳定性理论和分析方法，获得基于转子磁链和定子电流为输入的转速控制律。
2.根据权利要求1所述的基于全阶观测器的新型转速辨识方法，其特征在于，步骤1中，静止坐标系下三相异步电动机的实际状态方程和估算状态方程具体如下：
实际状态方程：
Figure FDA0002687394570000011
估算状态方程：
Figure FDA0002687394570000012
其中，
Figure FDA0002687394570000013
k2＝Lm/σLsLrTr，k3＝k2Tr，Tr＝Lr/Rr；
其中，Rs、Rr、Ls、Lr、Lm和ωr分别依次表示为定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感、激磁电感和电机角速度；isα、isβ、ψrα、ψrβ分别为α-β坐标系下定子电流和转子磁链；σ、B1和B2均为常量，Tr为转子时间常数，usα、usβ分别为α-β坐标系下定子电压，sgn为符号函数。
3.据权利要求2所述的基于全阶观测器的新型转速辨识方法，其特征在于，步骤2中，基于所述实际状态方程和估算状态方程，计算得到转子磁链和定子电流的误差状态方程具体如下：
误差状态方程：
Figure FDA0002687394570000021
4.据权利要求3所述的基于全阶观测器的新型转速辨识方法，其特征在于，步骤3中，基于转子磁链和定子电流的误差状态方程，定义以转子磁链和定子电流误差为变量的李亚谱诺夫函数具体如下：
Figure FDA0002687394570000022
5.据权利要求4所述的基于全阶观测器的新型转速辨识方法，其特征在于，步骤4具体为：
基于李亚谱诺夫函数稳定性理论得到稳定性计算公式如下：
Figure FDA0002687394570000023
基于稳定性计算公式获得基于转子磁链和定子电流为输入的转速控制律，表示为如下公式：
Figure FDA0002687394570000031
其中，kp、ki分别为比例系数和积分系数。
6.一种基于全阶观测器的新型转速辨识系统，其特征在于，所述系统包括：状态方程创建模块、误差方程创建模块、李亚谱诺夫函数创建模块和转速控制律计算模块；
所述状态方程创建模块用于分别建立静止坐标系下三相异步电动机的实际状态方程和估算状态方程；
所述误差方程创建模块用于基于所述实际状态方程和估算状态方程，计算得到转子磁链和定子电流的误差状态方程；
所述李亚谱诺夫函数创建模块用于基于转子磁链和定子电流的误差状态方程，定义以转子磁链和定子电流误差为变量的李亚谱诺夫函数；
所述转速控制律计算模块用于利用李亚谱诺夫稳定性理论和分析方法，获得基于转子磁链和定子电流为输入的转速控制律。
7.根据权利要求6所述的基于全阶观测器的新型转速辨识系统，其特征在于，静止的坐标系下三相异步电动机的实际状态方程和估算状态方程具体如下：
实际状态方程：
Figure FDA0002687394570000032
估算状态方程：
Figure FDA0002687394570000041
其中，
Figure FDA0002687394570000042
k2＝Lm/σLsLrTr，k3＝k2Tr，Tr＝Lr/Rr；
其中，Rs、Rr、Ls、Lr、Lm和ωr分别依次表示为定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感、激磁电感和电机角速度；isα、isβ、ψrα、ψrβ分别为α-β坐标系下定子电流和转子磁链；σ、B1和B2均为常量，Tr为转子时间常数，usα、usβ分别为α-β坐标系下定子电压；sgn为符号函数。
8.根据权利要求7所述的基于全阶观测器的新型转速辨识系统，其特征在于，基于所述实际状态方程和估算状态方程，计算得到转子磁链和定子电流的误差状态方程具体如下：
误差状态方程：
Figure FDA0002687394570000043
9.根据权利要求8所述的基于全阶观测器的新型转速辨识系统，其特征在于，基于转子磁链和定子电流的误差状态方程，定义以转子磁链和定子电流误差为变量的李亚谱诺夫函数具体如下：
Figure FDA0002687394570000044
10.根据权利要求9所述的基于全阶观测器的新型转速辨识系统，其特征在于，所述转速控制律计算模块具体用于：
基于李亚谱诺夫函数稳定性理论得到稳定性计算公式如下：
Figure FDA0002687394570000051
基于稳定性计算公式获得基于转子磁链和定子电流为输入的转速控制律，表示为如下公式：
Figure FDA0002687394570000052
其中，kp、ki分别为比例系数和积分系数。
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