CN112838799B - 基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法，包括采用电机当前的电流、电压、转速采样结果和电阻参数偏差值，通过预设的状态观测器观测电机的各个状态变量；利用观测的定子电流和实测的定子电流计算定子电流矢量角误差；利用定子电流矢量角误差观测转子电阻；按照预设的定子电阻自适应率和铁损电阻自适应率观测电机的定子电阻和铁损电阻；并将观测得到的转子电阻、定子电阻和铁损电阻的新值应用于最优效率控制系统中，重新计算转子磁链给定值。本发明的优点是在不影响电机转速和带载能力的前提下，观测电机的实际转子电阻、定子电阻和铁损电阻，修正最优转子磁链给定值，提高采用效率优化控制策略的交流调速系统的优化效果。

Description

基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法

技术领域

本发明涉及异步电机的最优效率控制技术，具体涉及一种基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法。

背景技术

目前异步电机最优效率控制一般采用基于损耗模型效率优化算法，该算法为基于电机的损耗模型和电机有功损耗最小原则得到电机的最优转子磁链幅值与电机给定转矩、电机转速、定子电阻、转子电阻、互感、铁损电阻的函数。但是，传统的基于损耗模型效率优化算法存在局限性：首先，传统的基于损耗模型的效率优化算法是基于电机的损耗模型和电机有功损耗最小原则得到电机的最优转子磁链幅值与电机给定转矩、电机转速、定子电阻、转子电阻、互感、铁损电阻的函数。当电机运行时，电机的定子电阻、转子电阻极易受温度因素的影响导致电机的控制参数与电机的实际参数发生变化，导致效率优化算法给定的最优磁链与按电机实际参数计算的最优磁链产生偏差，影响效率算法的优化效果。其次，传统的效率优化算法是基于矢量控制，当电机转子电阻R_r发生变化时，导致转子磁场定向角度产生偏差，表现为间接矢量控制中采用的转子磁场定向角度与电机实际的转子磁场定向角度不一致，给定的转子磁链幅值Ψ_r*和电机的实际转子磁链幅值Ψ_r不一致，受转速闭环约束，转速外环输出的转矩给定值T_e*与扭矩传感器的输出转矩T_e不一致，进一步加剧了电机给定最优磁链幅值与按电机实际参数计算的最优磁链幅值的偏差，恶化效率算法的优化效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法，本发明利用观测器观测的定子电流角度偏差观测转子电阻，利用构建的铁损电阻和定子电阻的自适应率观测定子电阻和铁损电阻，实时修正电机控制参数，更新最优转子磁链的给定值，提高采用效率优化控制策略的交流调速系统的优化效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法，包括：

S1)针对电机当前的电流、电压、转速采样结果，转子电阻偏差值

定子电阻偏差值

和铁损电阻偏差值

通过预设的状态观测器观测电机的各个状态变量，观测得到的状态变量包括定子电流观测值

和

S2)利用电流采样结果中的实测定子电流i_sα,i_sβ、状态观测器观测得到的定子电流观测值

计算定子电流矢量角误差θ_err；

S3)利用定子电流矢量角误差θ_err来观测转子电阻R_r；按照预设的定子电阻自适应率观测电机的定子电阻R_s，按照预设的铁损电阻自适应率观测电机的铁损电阻R_Fe；

S4)判断定子电流矢量角误差θ_err是否小于预设阈值，若小于预设阈值，则跳转执行下一步；否则，将观测得到的转子电阻R_r、定子电阻R_s和铁损电阻R_Fe的新值应用于状态观测器，跳转执行步骤S1)；

S5)将观测得到的转子电阻R_r、定子电阻R_s和铁损电阻R_Fe的新值应用于最优效率控制系统中，重新计算转子磁链给定值Ψ_r ^*。

可选地，步骤S2)包括：

S2.1)根据电流采样结果中的实测定子电流i_sα,i_sβ计算实际测量的定子电流矢量角θ_ref；

S2.2)根据状态观测器观测得到的定子电流观测值

计算观测定子电流矢量角

S2.3)用观测的定子电流矢量角

减去实际测量的定子电流矢量角θ_ref得到定子电流矢量角误差θ_err。

可选地，步骤S2.1)中根据电流采样结果中的实测定子电流i_sα,i_sβ计算实际测量的定子电流矢量角θ_ref的函数式为：

上式中，i_sα,i_sβ为电流采样结果中的实测定子电流；

步骤S2.2)中根据状态观测器观测得到的定子电流观测值

计算观测定子电流矢量角

的函数式为：

上式中，

为状态观测器观测得到的定子电流观测值。

可选地，步骤S3)中利用定子电流矢量角误差θ_err来观测转子电阻R_r的函数式为：

上式中，

为状态观测器使用的转子电阻偏差值，k_{p_Rr}为比例系数，k_{i_Rr}为积分系数，s为复变量，θ_err为定子电流矢量角误差。

可选地，步骤S3)中按照预设的定子电阻自适应率观测电机的定子电阻R_s的函数式为：

上式中，

为比例系数，

为积分系数，s为复变量，e_isα为状态观测器观测得到的α轴的定子电流观测值

和实测定子电流i_sα之间的电流偏差值，e_isβ为状态观测器观测得到的β轴的定子电流观测值

和实测定子电流i_sβ之间的电流偏差值，i_sα和i_sβ为电流采样结果中的实测定子电流，

和

为状态观测器观测得到的定子电流观测值，L_σs为电机的定子漏感。

可选地，步骤S1)中观测得到的状态变量还包括励磁电流观测值

和转子磁链观测值

步骤S3)中按照预设的铁损电阻自适应率观测电机的铁损电阻R_Fe的函数式为：

上式中，k_{p_RFe}为比例系数，k_{i_RFe}为积分系数，s为复变量，e_isα为状态观测器观测得到的α轴的定子电流观测值

和实测定子电流i_sα之间的电流偏差值，e_isβ为状态观测器观测得到的β轴的定子电流观测值

和实测定子电流i_sβ之间的电流偏差值，i_sα和i_sβ为电流采样结果中的实测定子电流，

和

为状态观测器观测得到的定子电流观测值，L_σs和L_σr分别为电机的定子漏感和转子漏感，

和

为状态观测器观测得到的励磁电流观测值，

和

为状态观测器观测得到的转子磁链观测值。

可选地，步骤S5)中重新计算转子磁链给定值Ψ_r ^*的函数式为：

上式中，L_r为转子电感，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，R_Fe为铁损电阻，n_p为电机极对数，w_r为电机实际转速，L_m为电机互感，T_e ^*为给定转矩。

此外，本发明还提供一种基于参数在线观测的异步电机最优效率控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法的步骤，或者所述存储器中存储有被编程或配置以执行所述基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法的计算机程序。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法的计算机程序。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

本发明包括利用利用观测器观测的定子电流角度偏差观测转子电阻R_r，利用构建的铁损电阻和定子电阻的自适应率观测定子电阻R_s和铁损电阻R_Fe，实时修正电机控制参数，更新最优转子磁链的给定值Ψ_r ^*，提高采用效率优化控制策略的交流调速系统的优化效果。

附图说明

图1为本发明实施例的基本流程图。

图2为本发明实施例方法的电机参数在线观测器原理图。

图3为参数偏差导致的电机损耗偏差曲线示意图。

图4为本发明实施例方法的带参数在线观测的最优效率控制系统原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法包括：

S1)针对电机当前的电流、电压、转速采样结果，转子电阻偏差值

定子电阻偏差值

和铁损电阻偏差值

通过预设的状态观测器观测电机的各个状态变量，观测得到的状态变量包括定子电流观测值

和

S2)利用电流采样结果中的实测定子电流i_sα,i_sβ、状态观测器观测得到的定子电流观测值

计算定子电流矢量角误差θ_err；

S3)利用定子电流矢量角误差θ_err来观测转子电阻R_r；按照预设的定子电阻自适应率观测电机的定子电阻R_s，按照预设的铁损电阻自适应率观测电机的铁损电阻R_Fe；

S4)判断定子电流矢量角误差θ_err是否小于预设阈值，若小于预设阈值，则跳转执行下一步；否则，将观测得到的转子电阻R_r、定子电阻R_s和铁损电阻R_Fe的新值应用于状态观测器，跳转执行步骤S1)；

S5)将观测得到的转子电阻R_r、定子电阻R_s和铁损电阻R_Fe的新值应用于最优效率控制系统中，重新计算转子磁链给定值Ψ_r ^*。

如图2和图3所示，本实施例中步骤S1)包括利用存在偏差的电机参数和在两相静止坐标轴系下的实测定子电流i_sα和i_sβ、实测定子电压u_sα和u_sβ、实测电机转速w_r按照电机状态方程构造状态观测器观测电机的各个状态变量，得到：定子电流观测值

和

励磁电流观测值

和

以及转子磁链观测值

和

本实施例中，步骤S1)中用两相静止坐标轴系下的实测定子电流i_sα和i_sβ、实测定子电压u_sα和u_sβ观测电机的状态变量时，所采用的状态观测器的状态方程为：

其中：

为状态变量

的一阶微分，

为状态矢量，

B,G,C分别为系统矩阵、输入矩阵、反馈矩阵、输出矩阵。其中，

y＝[i_sα i_sβ]^T，u(t)＝[u_sα u_sβ]^T，

和

为定子电流观测值，

和

为励磁电流观测值，

和

为转子磁链观测值，i_sα和i_sβ为实测定子电流、u_sα和u_sβ为实测定子电压。

其中，系统矩阵

B,G,C的函数式分别为：

上式中，参数a₁～a₉的定义为：

a₉＝-w_r。其中，

为定子电阻偏差值，

为铁损电阻的偏差值，L_m为励磁电感，

为转子电阻偏差值，L_r为定子电感，L_σs为电机的定子漏感，L_σr为电机的定子漏感，w_r为给定的电机转速。系统矩阵G的函数式为：

g₁₂＝0.2w_r；g₂₁＝-0.2w_r；

本实施例中步骤S2)包括：

S2.1)根据电流采样结果中的实测定子电流i_sα,i_sβ计算实际测量的定子电流矢量角θ_ref；

S2.2)根据状态观测器观测得到的定子电流观测值

计算观测定子电流矢量角

S2.3)用观测的定子电流矢量角

减去实际测量的定子电流矢量角θ_ref得到定子电流矢量角误差θ_err。

本实施例中步骤S2.1)中根据电流采样结果中的实测定子电流i_sα,i_sβ计算实际测量的定子电流矢量角θ_ref的函数式为：

上式中，i_sα,i_sβ为电流采样结果中的实测定子电流；

步骤S2.2)中根据状态观测器观测得到的定子电流观测值

计算观测定子电流矢量角

的函数式为：

上式中，

为状态观测器观测得到的定子电流观测值。

步骤S3)中将定子电流观测值

减去实测定子电流i_sα，将定子电流观测值

减去实测定子电流i_sβ，分别得到电流偏差值e_isα和e_isβ；基于定子电流观测值

和

电流偏差值e_isα和e_isβ，按照定子电阻自适应率计算电机的定子电阻R_s；基于励磁电流观测值

和

转子磁链观测值

和

以及电流偏差值e_isα和e_isβ，按照铁损电阻自适应率计算电机的铁损电阻R_Fe；将转子磁链角度的偏差量θ_err经PI调节器整定后得到转子电阻的误差校正量并将其与转子电阻偏差值

叠加后得到电机的转子电阻R_r。

电机以给定的转速w_r、额定的转子磁链幅值ψ_r ^*、控制器以偏差参数控制电机启动并运行至稳态。在同样的定子电压和转速的情况下，状态观测器采用的电机参数与电机实际的电机参数存在偏差会导致观测器观测的电机状态量与其实际值在幅值和相位上存在偏差，其中最方便测量的就是定子电流。因此利用观测器参数偏差导致观测的定子电流角度与实际的定子电流角度存在偏差，利用这个角度偏差构造转子电阻自适应率，实时观测电机实际的转子电阻R_r。本实施例步骤S3)中利用定子电流矢量角误差θ_err来观测转子电阻R_r的函数式为：

上式中，

为状态观测器使用的转子电阻偏差值，k_{p_Rr}为比例系数，k_{i_Rr}为积分系数，s为复变量，θ_err为定子电流矢量角误差。

本实施例步骤S3)中按照预设的定子电阻自适应率观测电机的定子电阻R_s的函数式为：

上式中，k_{p_Rs}为比例系数，k_{i_Rs}为积分系数，s为复变量，e_isα为状态观测器观测得到的α轴的定子电流观测值

和实测定子电流i_sα之间的电流偏差值，e_isβ为状态观测器观测得到的β轴的定子电流观测值

和实测定子电流i_sβ之间的电流偏差值，i_sα和i_sβ为电流采样结果中的实测定子电流，

和

为状态观测器观测得到的定子电流观测值，L_σs为电机的定子漏感。

本实施例中，步骤S1)中观测得到的状态变量还包括励磁电流观测值

和转子磁链观测值

步骤S3)中按照预设的铁损电阻自适应率观测电机的铁损电阻R_Fe的函数式为：

上式中，k_{p_RFe}为比例系数，k_{i_RFe}为积分系数，s为复变量，e_isα为状态观测器观测得到的α轴的定子电流观测值

和实测定子电流i_sα之间的电流偏差值，e_isβ为状态观测器观测得到的β轴的定子电流观测值

和实测定子电流i_sβ之间的电流偏差值，i_sα和i_sβ为电流采样结果中的实测定子电流，

和

为状态观测器观测得到的定子电流观测值，L_σs和L_σr分别为电机的定子漏感和转子漏感，

和

为状态观测器观测得到的励磁电流观测值，

和

为状态观测器观测得到的转子磁链观测值。

本实施例中，构建电机的有功损耗P_loss的模型为：

电机的有功损耗P_loss与转子磁链幅值成凹函数关系，如图3所示。因此，通过步骤S3)利用定子电流矢量角度偏差观测转子电阻R_r，利用状态观构造铁损电阻和定子电阻的自适应率观测定子电阻R_s和铁损电阻R_Fe，从而实现了对转子电阻R_r、定子电阻R_s和铁损电阻R_Fe三种控制器参数的观测。

本实施例中，步骤S5)根据在线观测的控制器参数(转子电阻R_r、定子电阻R_s和铁损电阻R_Fe)新值计算给定转子磁链Ψ_r ^*，本实施例步骤S5)中重新计算转子磁链给定值Ψ_r ^*的函数式为：

上式中，L_r为定子电感，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，R_Fe为铁损电阻，n_p为电机极对数，w_r为电机实际转速，L_m为电机互感，T_e ^*为给定转矩。参见图4可知，在计算得到的给定转子磁链Ψ_r ^*后，即可将计算得到的给定转子磁链Ψ_r ^*作为矢量控制的给定磁链，其中间接矢量控制为现有控制方法，其具体实现方式不在本申请的讨论之内。

综上所述，本实施例方法包括使用电机实际的定子电压、电流和电机转速构建电机的状态观测器，将观测到的电机定子电流与实际测量到的电机定子电流相减得到电流偏差值，基于观测到的转子磁链、定子电流、励磁电流和电流偏差值按照定子电阻自适应率和铁损电阻自适应率进行计算并得到电机的定子电阻和铁损电阻；根据观测的定子电流计算观测到的定子电流角度，将观测到的定子电流角度与实际的定子电流角度相减经PI调节器得到转子电阻的校正量，并与转子电阻偏差值叠加得到电机的转子电阻值；将校正后的电机转子电阻、定子电阻、铁损电阻值更新到最优效率算法中，重新计算电机的最优转子磁链幅值。本实施例方法能够提高采用效率优化控制策略的交流调速系统的优化效果，消除因温度变化导致电机的最优效率工作点与给定的最优效率工作点不一致的问题，提高感应电机的使用经济性。

此外，本实施例还提供一种基于参数在线观测的异步电机最优效率控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行前述基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法的步骤，或者所述存储器中存储有被编程或配置以执行前述基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法的计算机程序。

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法的计算机程序。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法，其特征在于，包括：

S1)针对电机当前的电流、电压、转速采样结果，转子电阻偏差值

定子电阻偏差值

和铁损电阻偏差值

通过预设的状态观测器观测电机的各个状态变量，观测得到的状态变量包括定子电流观测值

和

S2)利用电流采样结果中的实测定子电流i_sα,i_sβ、状态观测器观测得到的定子电流观测值

计算定子电流矢量角误差θ_err；

S3)利用定子电流矢量角误差θ_err来观测转子电阻R_r；按照预设的定子电阻自适应率观测电机的定子电阻R_s，按照预设的铁损电阻自适应率观测电机的铁损电阻R_Fe；

S4)判断定子电流矢量角误差θ_err是否小于预设阈值，若小于预设阈值，则跳转执行下一步；否则，将观测得到的转子电阻R_r、定子电阻R_s和铁损电阻R_Fe的新值应用于状态观测器，跳转执行步骤S1)；

S5)将观测得到的转子电阻R_r、定子电阻R_s和铁损电阻R_Fe的新值应用于最优效率控制系统中，重新计算转子磁链给定值Ψ_r ^*；

步骤S3)中按照预设的定子电阻自适应率观测电机的定子电阻R_s的函数式为：

上式中，k_{p_Rs}为比例系数，k_{i_Rs}为积分系数，s为复变量，e_isα为状态观测器观测得到的α轴的定子电流观测值

和实测定子电流i_sα之间的电流偏差值，e_isβ为状态观测器观测得到的β轴的定子电流观测值

和实测定子电流i_sβ之间的电流偏差值，i_sα和i_sβ为电流采样结果中的实测定子电流，

和

为状态观测器观测得到的定子电流观测值，L_σs为电机的定子漏感；步骤S1)中观测得到的状态变量还包括励磁电流观测值

和转子磁链观测值

步骤S3)中按照预设的铁损电阻自适应率观测电机的铁损电阻R_Fe的函数式为：

上式中，

为比例系数，

为积分系数，s为复变量，e_isα为状态观测器观测得到的α轴的定子电流观测值

和实测定子电流i_sα之间的电流偏差值，e_isβ为状态观测器观测得到的β轴的定子电流观测值

和实测定子电流i_sβ之间的电流偏差值，i_sα和i_sβ为电流采样结果中的实测定子电流，

和

为状态观测器观测得到的定子电流观测值，L_r为转子电感，L_σs和L_σr分别为电机的定子漏感和转子漏感，

和

为状态观测器观测得到的励磁电流观测值，

和

为状态观测器观测得到的转子磁链观测值。

2.根据权利要求1所述的基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法，其特征在于，步骤S2)包括：

S2.1)根据电流采样结果中的实测定子电流i_sα,i_sβ计算实际测量的定子电流矢量角θ_ref；

S2.2)根据状态观测器观测得到的定子电流观测值

计算观测定子电流矢量角

S2.3)用观测的定子电流矢量角

减去实际测量的定子电流矢量角θ_ref得到定子电流矢量角误差θ_err。

3.根据权利要求2所述的基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法，其特征在于，步骤S2.1)中根据电流采样结果中的实测定子电流i_sα,i_sβ计算实际测量的定子电流矢量角θ_ref的函数式为：

上式中，i_sα,i_sβ为电流采样结果中的实测定子电流。

4.根据权利要求2所述的基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法，其特征在于，步骤S2.2)中根据状态观测器观测得到的定子电流观测值

计算观测定子电流矢量角

的函数式为：

上式中，

为状态观测器观测得到的定子电流观测值。

5.根据权利要求1所述的基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法，其特征在于，步骤S3)中利用定子电流矢量角误差θ_err来观测转子电阻R_r的函数式为：

上式中，

为状态观测器使用的转子电阻偏差值，k_{p_Rr}为比例系数，k_{i_Rr}为积分系数，s为复变量，θ_err为定子电流矢量角误差。

6.根据权利要求1所述的基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法，其特征在于，步骤S5)中重新计算转子磁链给定值Ψ_r ^*的函数式为：

上式中，L_r为转子电感，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，R_Fe为铁损电阻，n_p为电机极对数，w_r为电机实际转速，L_m为电机互感，T_e ^*为给定转矩。

7.一种基于参数在线观测的异步电机最优效率控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，所述微处理器被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法的步骤，或者所述存储器中存储有被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法的计算机程序。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述基于参数在线观测的异步电机最优效率控制方法的计算机程序。

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