CN111969917A - 一种基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法,该方法利用感应电机电压与电流模型实现对转速与转子磁链的观测。首先,采样定子电流is,并根据直流电压与开关状态估算定子电压us;其次,根据is与us,利用模型参考自适应算法对转速及转子磁链进行实时观测,所述的模型参考自适应算法中转速估算采用模糊PI控制器;最后,利用观测得到的转速与转子磁链信息实施基于转子磁场定向的矢量控制,控制电机转子磁链与转速跟随给定值。本发明提供的感应电机无速度传感器控制方法,无需采样定子电压,有利于降低硬件成本,提高系统可靠性;同时,使用模糊PI控制器能够克服传统PI控制器收敛速度慢、超调大、振荡等缺陷,提高系统响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法,属于电机驱动与控制领域。
背景技术
感应电机是一种结构简单、成本低、调速范围宽等优点,被广泛用于车床加工、电动汽车等场合。相较于传统的V/F控制,矢量控制具有电压利用率高、效率高等优势,因此,越来越多的变频器、控制器采用矢量控制算法实现感应电机的调速控制。然而,要实现转速闭环控制必须获得电机的转速信息,通常情况下,转速信息都通过安装额外的速度传感器(如光电编码器)进行检测,增加了系统的成本与复杂性。因此,感应电机无速度传感器控制逐渐成为国内外学者的研究热点。
现阶段研究的感应电机无速度传感器控制方法集中于模型参考自适应算法、拓展卡尔曼滤波法、滑模观测器法等。然而,无论何种算法,都需要对定子电压进行检测,必然增加系统的成本。此外,一般都采用传统PI控制对转速进行估算,响应速度较慢,且会存在超调、振荡等问题。
发明内容
技术问题:针对上述现有技术,提供一种基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法,无需增加额外的硬件成本检测定子电压且解决了传统PI控制相应速度慢、超调、振荡等问题。
技术方案:一种基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:采样定子电流is,并根据直流电压udc与开关信号Sa,Sb与Sc等信息,通过定子电压估算模块估算定子电压us;
步骤5:利用SVPWM模块等效合成步骤4得到参考电压,产生PWM信号控制逆变器工作。
进一步的,步骤1中,所述的定子电压估算具体为:
对于采用PWM控制的感应电机驱动系统,施加在定子绕组两端电压可以表示为
进而,利用Clark变换即可计算定子电压在两相静止坐标系下分量,即
式中,ωc为低通滤波器截止频率。将定子电压写成矢量形式即有
进一步的,步骤2中,所述的模型参考自适应算法模块包括:参考模型、可调模型、转速估算模块与角度估算模块。模型参考自适应算法具体包含如下步骤:
然后,利用转速估算模块对转速进行估算。从式(5)与(6)可以看出,参考模型(5)中不包含转速信息,根据电机参数、定子电压及定子电流等信息即可计算转子磁链,而可调模型(6)中含有转速信息,在电机参数正确的前提下,仅当估计转速与实际转速相等时,可调模型计算得到的估算转子磁链与参考模型计算得到的参考转子磁链相等。本发明采用模糊PI控制器实现估算转子磁链对参考转子磁链的快速跟踪,如下
式中,kp与ki分别为当前比例系数与积分系数;Δkp与Δki分别为比例系数增量与积分系数增量,由模糊控制器计算得到。模糊控制器的输入变量数目为2,分别为
输入量的模糊论域分别取
u1∈[-3,3] (9)
u2∈[-3,3] (10)
模糊控制器的输出量Δkp与Δki模糊论域分别取
Δkp∈[-0.3,0.3] (11)
Δki∈[-0.3,0.3] (12)
输出量相对于输入量变化的基本控制规律为:当u1为正且u2为正时,输出绝对值较大且为负的Δkp与绝对值较大且为正的Δki,快速减小比例系数并增加积分系数;当u1为正且u2为负时,输出绝对值较小且为负的Δkp与绝对值较小且为正的Δki,缓慢减小比例系数并增加积分系数;当u1为负且u2为正时,输出绝对值较小且为正的Δkp与绝对值较小且为负的Δki,缓慢增加比例系数并减小积分系数;当u1为负且u2为负时,输出绝对值较大且为正的Δkp与绝对值较大且为负的Δki,快速增加比例系数并降低积分系数;当u1为零且u2为零时,不改变比例系数与积分系数。
有益效果:(1)无需转速传感器即可实现基于转子磁场定向的感应电机矢量控制;
(2)无需额外的投入硬件成本检测定子电压,有利于降低系统成本;
(3)采用模糊PI控制能够克服传感PI控制响应速度慢、超调以及振荡等缺点;
(4)相较于拓展卡尔曼滤波法、滑模观测器法等算法,模型参考自适应算法结构相对简单,更加易于数字实现。
附图说明
图1是本发明基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法控制框图,图中,1-电压估算模块,2-模型参考自适应算法、3-转速控制器、4-磁链控制器、5-坐标变换、6-电流控制器、7-反Park变换、8-SVPWM模块;
图2是本发明基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法的输入量u1的模糊论域;
图3是本发明基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法的输入量u2的模糊论域;
图4是本发明基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法的输出量Δkp的模糊论域;
图5是本发明基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法的输出量Δki的模糊论域;
图6是本发明基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法的转速估计结果;
图7是本发明基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法的磁链估计结果;
图8是本发明基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法的三相定子电流结果。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明,以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
一种基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法,原理图如图1所示,包括如下步骤:
步骤1:采样定子电流is,并根据直流电压udc与开关信号Sa,Sb与Sc等信息,通过定子电压估算模块估算定子电压us。具体的,对于采用PWM控制的感应电机驱动系统,施加在定子绕组两端电压可以表示为
进而,利用Clark变换即可计算定子电压在两相静止坐标系下分量,即
式中,ωc为低通滤波器截止频率。将定子电压写成矢量形式即有
步骤2:根据步骤1得到的定子电压与电流,利用模型参考自适应算法模块对转速与转子磁链进行实时观测,获取转速估计值与磁链观测值并根据计算转子磁链角度θ。具体的,模型参考自适应算法模块包括:参考模型、可调模型、转速估算模块与角度估算模块。模型参考自适应算法具体包含如下步骤:
步骤A3:利用转速估算模块对转速进行估算。从式(5)与(6)可以看出,参考模型(5)中不包含转速信息,根据电机参数、定子电压及定子电流等信息即可计算转子磁链,而可调模型(6)中含有转速信息,在电机参数正确的前提下,仅当估计转速与实际转速相等时,可调模型计算得到的估算转子磁链与参考模型计算得到的参考转子磁链相等。本发明采用模糊PI控制器实现估算转子磁链对参考转子磁链的快速跟踪,如下
式中,kp与ki分别为当前比例系数与积分系数;Δkp与Δki分别为比例系数增量与积分系数增量,由模糊控制器计算得到。模糊控制器的输入变量数目为2,分别为
输入量的模糊论域分别取
u1∈[-3,3] (9)
u2∈[-3,3] (10)
模糊控制器的输出量Δkp与Δki模糊论域分别取
Δkp∈[-0.3,0.3] (11)
Δki∈[-0.3,0.3] (12)
进一步的,将上述变量在各自模糊论域内划分为7个等级:负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB),隶属度函数均选用三角形隶属函数,如图2-5所示。
输出量相对于输入量变化的基本控制规律为:当u1为正且u2为正时,输出绝对值较大且为负的Δkp与绝对值较大且为正的Δki,快速减小比例系数并增加积分系数;当u1为正且u2为负时,输出绝对值较小且为负的Δkp与绝对值较小且为正的Δki,缓慢减小比例系数并增加积分系数;当u1为负且u2为正时,输出绝对值较小且为正的Δkp与绝对值较小且为负的Δki,缓慢增加比例系数并减小积分系数;当u1为负且u2为负时,输出绝对值较大且为正的Δkp与绝对值较大且为负的Δki,快速增加比例系数并降低积分系数;当u1为零且u2为零时,不改变比例系数与积分系数。结合模糊论域,本例设计的模糊规则如表1所示。
表1Δkp与Δki模糊规则表
步骤4:利用坐标变换获取定子电流的励磁分量与转矩分量使用电流控制器对其进行闭环控制,得到定子电压参考值与进而利用反Park变换计算定子电压在两相静止坐标系下的参考值与具体的,电流控制器同样采用PI控制器,如下
步骤5:利用SVPWM模块等效合成步骤4得到参考电压,产生PWM信号控制逆变器工作。
实施本发明提供的感应电机无速度传感器控制方法,设置给定转速为1000rpm、给定转子磁链幅值为0.78Wb,转速估计值、磁链估计值与定子电流波形分别如图6-8所示,可以看出,电机转速达到给定值且磁链能够跟踪给定值,此外,定子电流正弦变化,实现了感应电机的无位置传感器运行。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代,只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:采样定子电流is,并根据直流电压udc与开关信号Sa,Sb与Sc等信息,通过定子电压估算模块(1)估算定子电压us;
步骤5:利用SVPWM模块(8)等效合成步骤4得到参考电压,产生PWM信号控制逆变器工作。
3.根据权利要求1所述的基于模型参考自适应算法的感应电机无速度传感器控制方法,其特征在于,所述的步骤2中的模型参考自适应算法模块包括:参考模型(2-1)、可调模型(2-2)、转速估算模块(2-3)与角度估算模块(2-4)。模型参考自适应算法具体包含如下步骤:
步骤A3:利用转速估算模块(2-3)对转速进行估算。从式(5)与(6)可以看出,参考模型(5)中不包含转速信息,根据电机参数、定子电压及定子电流等信息即可计算转子磁链,而可调模型(6)中含有转速信息,在电机参数正确的前提下,仅当估计转速与实际转速相等时,可调模型计算得到的估算转子磁链与参考模型计算得到的参考转子磁链相等。本发明采用模糊PI控制器实现估算转子磁链对参考转子磁链的快速跟踪,如下
式中,kp与ki分别为当前比例系数与积分系数;Δkp与Δki分别为比例系数增量与积分系数增量,由模糊控制器计算得到。模糊控制器的输入变量数目为2,分别为
输入量的模糊论域分别取
u1∈[-3,3] (9)
u2∈[-3,3] (10)
模糊控制器的输出量Δkp与Δki模糊论域分别取
△kp∈[-0.3,0.3] (11)
△ki∈[-0.3,0.3] (12)
输出量相对于输入量变化的基本控制规律为:当u1为正且u2为正时,输出绝对值较大且为负的Δkp与绝对值较大且为正的Δki,快速减小比例系数并增加积分系数;当u1为正且u2为负时,输出绝对值较小且为负的Δkp与绝对值较小且为正的Δki,缓慢减小比例系数并增加积分系数;当u1为负且u2为正时,输出绝对值较小且为正的Δkp与绝对值较小且为负的Δki,缓慢增加比例系数并减小积分系数;当u1为负且u2为负时,输出绝对值较大且为正的Δkp与绝对值较大且为负的Δki,快速增加比例系数并降低积分系数;当u1为零且u2为零时,不改变比例系数与积分系数。
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