CN112968641A - 一种感应电机控制稳定工作的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及感应电机领域，且公开了一种感应电机控制稳定工作的方法，包括数学模型建立—传感器矢量控制优化—控制器参数设计—电流观测器优化—系统实现，该一种感应电机控制稳定工作的方法，在系统中仅有单个健康相电流传感器的苛刻条件下，仍可以实现系统的矢量控制，使得感应电机变频调速系统的安全性、可靠性大大提高，可以简化感应电机的模型，可以将感应电机系统便等效成直流电机系统，从而可以降低控制难度，通过将电流传感器、速度传感器均设为全阶状态观测器，通过观测器可以对误差进行校正，使得动态响应效果更好，可以对于转速与电流的估计提供更大的误差限度，从而可以避免传统方法在动态时响应较慢电机容易失去控制的现象发生。

Description

一种感应电机控制稳定工作的方法
技术领域
本发明涉及感应电机领域，具体为一种感应电机控制稳定工作的方法。
背景技术
感应电动机又称异步电动机，是将转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动的装置，通过定子产生的旋转磁场与转子绕组的相对运动，转子绕组切割磁感线产生感应电动势，从而使转子绕组中产生感应电流，感应电机因其成本低、易维护、坚固可靠等优势被广泛应用于工业传动领域；
专利号为CN 104124907 B的一项发明专利，公布了一种电流传感器故障处理方法及电机控制器，具体的，涉及汽车技术领域，提高了汽车行驶的可靠性，保障了行车安全。具体方案为：电机控制器通过检测单元分别采集每个电流传感器的电压幅值，并根据采集到的每个电流传感器的电压幅值确定未发生故障的电流传感器的个数；当未发生故障的电流传感器的个数满足预定条件时，电机控制器根据预设的车速上限值确定电机转速，并获取控制电机所需的扭矩，然后根据电机转速、扭矩以及预先配置的标定数据映射关系，采用电流开环空间矢量控制方式对电机进行控制。本发明用于电流传感器发生故障后汽车的处理过程中；
矢量控制方法的成熟使得感应电机的控制难度大大降低，从而很大程度上提高了感应电机变频调速系统的性能，矢量控制需要通过电流传感器与速度传感器获取系统的电流与转速信息，进而闭环控制，但由于传感器在恶劣的环境下容易发生故障，降低了系统的可靠性；
当电流传感器无法正常工作，且在系统中仅有单个健康相电流传感器的苛刻条件下，无法实现系统的矢量控制，使得感应电机变频调速系统的安全性、可靠性大大降低，此外，无法降低系统控制难度，无法避免传统方法在动态时响应较慢电机容易失去控制的现象发生。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供如下技术方案：一种感应电机控制稳定工作的方法，包括以下步骤：
步骤S1，通过建立数学模型，可以降低控制难度，使得变频调速系统的控制性能得到提高；
步骤S2，通过对误差校正的方式优化控制矢量，可以对于转速与电流的估计提供更大的误差限度，避免传统方法在动态时响应较慢电机容易失去控制的现象发生；
步骤S3，通过设置电流环、速度环控制参数，并对系统传递函数进行降阶处理，可以使得系统响应更快；
步骤S4，通过构建的全阶状态观测器，当电流传感器出现故障时，仍然可以为系统提供所需的电流与转速信息；
步骤S5，搭建实验平台，验证感应电动机中电流传感器出现故障时，系统的工作性能。
优选的，所述步骤S1中，电机数学模型一般是由电机的电压方程和磁链方程组成，首先通过定义定转子相电压的瞬时值u，定转子相电流的瞬时值i，各相绕组的全磁链Ψ，定转子绕组电阻R，构成感应电动机六维电压、磁链方程组，然后通过Clark变换将方程从六维降到四维，从而可以简化感应电机的模型，但三相电流经过Clark变化之后仍然是一个时变的交流电流，控制难度高，最后通过Park变换将电流电压等矢量分解成两个直流量，从而可以将感应电机系统便等效成直流电机系统，从而可以降低控制难度。
优选的，所述步骤S1中，感应电机在进行调速的过程中，需要进行电压与频率的协调控制，由于磁通的建立与转速的变化是同时发生的，为了获得良好的动态性能，同样要对磁通进行控制，然而在三相静止坐标系下，电机的电压方程与磁链方程是非线性的六维方程组，难以对三相感应电机的数学模型进行建立，通过采用坐标变换的方法来简化解耦数学模型，可以使得变频调速系统的控制性能得到提高。
优选的，所述步骤S2中，通过考虑电流传感器与速度传感器输入输出的关系，将两个观测器均设为全阶状态观测器，通过观测器可以对误差进行校正，使得动态响应效果更好，可以对于转速与电流的估计提供更大的误差限度，从而可以避免传统方法在动态时响应较慢电机容易失去控制的现象发生。
优选的，所述步骤S2中，电流观测器需要速度观测器观测得到的转速信息来进行电流的观测，同时提供观测的定子电流给速度观测器，在系统运行过程中，两个观测器的观测精度对于系统稳定运行具有较大的影响，观测准度越高对于系统的控制性能就越高，当系统估计出现一定误差时，两个观测器将进行快速地动态响应，使两个观测器的输出不断接近真实值来稳定运行的状态。
优选的，所述步骤S3中，包括电流环控制参数和速度环控制参数，电流环为内环，速度环为外环，其中，电流环采用PI控制器进行控制，通过对系统传递函数进行降阶处理，可以使得系统响应更快。
优选的，所述步骤S4中，通过电流和转速信息便能间接的控制磁链和转矩，因此，准确的电流与转速反馈是系统稳定运行的关键，由于温度、湿度、灰尘以及腐蚀等外界环境的影响或者人为不正规的操作，电流传感器会发生故障进而导致调速系统失去控制，当只有单个电流传感器正常工作时，通过构建的全阶状态观测器，即用感应电机的数学模型来估计电机的状态，通过反馈校正的方式对估计状态进行矫正，可以大大提高观测器的观测精度与稳定性，最后由观测器的状态方程可以得到定子电流信息与磁链信息，从而能够准确的为系统提供所需的电流与转速信息。
优选的，所述步骤S5中，软件的实现是在Keil中完成，对于硬件部分，系统选用STM32数字处理芯片，配备有32位Cortex-M3为处理器内核，系统由主电路与控制电路组成，其中，主电路由功率板与I/O板组成，用于完成系统中能量的转换工作，通过整流桥与逆变桥实现电网与电机之间的能量流动，主电路要对电压电流等信息进行提取供给控制板进行算法处理，与此同时，接受控制板发出的控制指令，从而实现命令输出，直接控制电机运行，控制电路的作用是获取主电路提供的相应信息，并对信息进行控制算法的处理，经控制算法计算后，提供相应的工作命令，形成驱动信号，最后通过主电路完成对电机的控制。
有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种感应电机控制稳定工作的方法，具备以下有益效果：
1、该发明一种感应电机控制稳定工作的方法，当只有单个电流传感器正常工作时，通过构建的全阶状态观测器，即用感应电机的数学模型来估计电机的状态，通过反馈校正的方式对估计状态进行矫正，可以大大提高观测器的观测精度与稳定性，最后由观测器的状态方程可以得到定子电流信息与磁链信息，从而能够准确的为系统提供所需的电流与转速信息，因此，在系统中仅有单个健康相电流传感器的苛刻条件下，仍可以实现系统的矢量控制，使得感应电机变频调速系统的安全性、可靠性大大提高。
2、该发明一种感应电机控制稳定工作的方法，电机的电压方程与磁链方程是非线性的六维方程组，难以对三相感应电机的数学模型进行建立，通过Clark变换将方程从六维降到四维，从而可以简化感应电机的模型，由于三相电流经过Clark变化之后仍然是一个时变的交流电流，控制难度高，通过Park变换将电流电压等矢量分解成两个直流量，可以将感应电机系统便等效成直流电机系统，从而可以降低控制难度。
3、该发明一种感应电机控制稳定工作的方法，通过将电流传感器、速度传感器均设为全阶状态观测器，通过观测器可以对误差进行校正，使得动态响应效果更好，可以对于转速与电流的估计提供更大的误差限度，从而可以避免传统方法在动态时响应较慢电机容易失去控制的现象发生。
附图说明
图1为本发明的工作流程图；
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实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种感应电机控制稳定工作的方法，包括以下步骤：
步骤S1，通过建立数学模型，可以降低控制难度，使得变频调速系统的控制性能得到提高；
步骤S2，通过对误差校正的方式优化控制矢量，可以对于转速与电流的估计提供更大的误差限度，避免传统方法在动态时响应较慢电机容易失去控制的现象发生；
步骤S3，通过设置电流环、速度环控制参数，并对系统传递函数进行降阶处理，可以使得系统响应更快；
步骤S4，通过构建的全阶状态观测器，当电流传感器出现故障时，仍然可以为系统提供所需的电流与转速信息；
步骤S5，搭建实验平台，验证感应电动机中电流传感器出现故障时，系统的工作性能。
步骤S1中，电机数学模型一般是由电机的电压方程和磁链方程组成，首先通过定义定转子相电压的瞬时值u，定转子相电流的瞬时值i，各相绕组的全磁链Ψ，定转子绕组电阻R，构成感应电动机六维电压、磁链方程组，然后通过Clark变换将方程从六维降到四维，从而可以简化感应电机的模型，但三相电流经过Clark变化之后仍然是一个时变的交流电流，控制难度高，最后通过Park变换将电流电压等矢量分解成两个直流量，从而可以将感应电机系统便等效成直流电机系统，从而可以降低控制难度。
步骤S1中，感应电机在进行调速的过程中，需要进行电压与频率的协调控制，由于磁通的建立与转速的变化是同时发生的，为了获得良好的动态性能，同样要对磁通进行控制，然而在三相静止坐标系下，电机的电压方程与磁链方程是非线性的六维方程组，难以对三相感应电机的数学模型进行建立，通过采用坐标变换的方法来简化解耦数学模型，可以使得变频调速系统的控制性能得到提高。
步骤S2中，通过考虑电流传感器与速度传感器输入输出的关系，将两个观测器均设为全阶状态观测器，通过观测器可以对误差进行校正，使得动态响应效果更好，可以对于转速与电流的估计提供更大的误差限度，从而可以避免传统方法在动态时响应较慢电机容易失去控制的现象发生。
步骤S2中，电流观测器需要速度观测器观测得到的转速信息来进行电流的观测，同时提供观测的定子电流给速度观测器，在系统运行过程中，两个观测器的观测精度对于系统稳定运行具有较大的影响，观测准度越高对于系统的控制性能就越高，当系统估计出现一定误差时，两个观测器将进行快速地动态响应，使两个观测器的输出不断接近真实值来稳定运行的状态。
步骤S3中，包括电流环控制参数和速度环控制参数，电流环为内环，速度环为外环，其中，电流环采用PI控制器进行控制，通过对系统传递函数进行降阶处理，可以使得系统响应更快。
步骤S4中，通过电流和转速信息便能间接的控制磁链和转矩，因此，准确的电流与转速反馈是系统稳定运行的关键，由于温度、湿度、灰尘以及腐蚀等外界环境的影响或者人为不正规的操作，电流传感器会发生故障进而导致调速系统失去控制，当只有单个电流传感器正常工作时，通过构建的全阶状态观测器，即用感应电机的数学模型来估计电机的状态，通过反馈校正的方式对估计状态进行矫正，可以大大提高观测器的观测精度与稳定性，最后由观测器的状态方程可以得到定子电流信息与磁链信息，从而能够准确的为系统提供所需的电流与转速信息。
步骤S5中，软件的实现是在Keil中完成，对于硬件部分，系统选用STM32数字处理芯片，配备有32位Cortex-M3为处理器内核，系统由主电路与控制电路组成，其中，主电路由功率板与I/O板组成，用于完成系统中能量的转换工作，通过整流桥与逆变桥实现电网与电机之间的能量流动，主电路要对电压电流等信息进行提取供给控制板进行算法处理，与此同时，接受控制板发出的控制指令，从而实现命令输出，直接控制电机运行，控制电路的作用是获取主电路提供的相应信息，并对信息进行控制算法的处理，经控制算法计算后，提供相应的工作命令，形成驱动信号，最后通过主电路完成对电机的控制。
工作时，工作人员先通过构建数学模型将电流电压等矢量分解成两个直流量，从而将感应电机系统便等效成直流电机系统，降低控制难度，
将电流传感器与速度传感器均设为全阶状态观测器，当系统估计出现一定误差时，两个观测器将进行快速地动态响应，通过观测器对误差进行校正，使得动态响应效果更好，可以对于转速与电流的估计提供更大的误差限度，在系统运行过程中，两个观测器的观测精度对于系统稳定运行具有较大的影响，观测准度越高对于系统的控制性能就越高，使两个观测器的输出不断接近真实值来稳定运行的状态，接着设置电流环、速度环控制参数，并对系统传递函数进行降阶处理，使得系统响应更快，通过反馈校正的方式对估计状态进行矫正，保障观测器的观测精度与稳定性，最后由观测器的状态方程得到定子电流信息与磁链信息，使得在仅有单个电流传感器正常工作时仍能够准确的为系统提供所需的电流与转速信息，将算法烧录至STM32开发板内，验证感应电动机中电流传感器出现故障时，系统的工作性能。
综上，当只有单个电流传感器正常工作时，通过构建的全阶状态观测器，即用感应电机的数学模型来估计电机的状态，通过反馈校正的方式对估计状态进行矫正，可以大大提高观测器的观测精度与稳定性，最后由观测器的状态方程可以得到定子电流信息与磁链信息，从而能够准确的为系统提供所需的电流与转速信息，因此，在系统中仅有单个健康相电流传感器的苛刻条件下，仍可以实现系统的矢量控制，使得感应电机变频调速系统的安全性、可靠性大大提高，电机的电压方程与磁链方程是非线性的六维方程组，难以对三相感应电机的数学模型进行建立，通过Clark变换将方程从六维降到四维，从而可以简化感应电机的模型，由于三相电流经过Clark变化之后仍然是一个时变的交流电流，控制难度高，通过Park变换将电流电压等矢量分解成两个直流量，可以将感应电机系统便等效成直流电机系统，从而可以降低控制难度，通过将电流传感器、速度传感器均设为全阶状态观测器，通过观测器可以对误差进行校正，使得动态响应效果更好，可以对于转速与电流的估计提供更大的误差限度，从而可以避免传统方法在动态时响应较慢电机容易失去控制的现象发生。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种感应电机控制稳定工作的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，通过建立数学模型，可以降低控制难度，使得变频调速系统的控制性能得到提高；
步骤S2，通过对误差校正的方式优化控制矢量，可以对于转速与电流的估计提供更大的误差限度，避免传统方法在动态时响应较慢电机容易失去控制的现象发生；
步骤S3，通过设置电流环、速度环控制参数，并对系统传递函数进行降阶处理，可以使得系统响应更快；
步骤S4，通过构建的全阶状态观测器，当电流传感器出现故障时，仍然可以为系统提供所需的电流与转速信息；
步骤S5，搭建实验平台，验证感应电动机中电流传感器出现故障时，系统的工作性能。
2.根据权利要求1所述的一种感应电机控制稳定工作的方法，其特征在于，所述步骤S1中，电机数学模型一般是由电机的电压方程和磁链方程组成，首先通过定义定转子相电压的瞬时值u，定转子相电流的瞬时值i，各相绕组的全磁链Ψ，定转子绕组电阻R，构成感应电动机六维电压、磁链方程组，然后通过Clark变换将方程从六维降到四维，从而可以简化感应电机的模型，但三相电流经过Clark变化之后仍然是一个时变的交流电流，控制难度高，最后通过Park变换将电流电压等矢量分解成两个直流量，从而可以将感应电机系统便等效成直流电机系统，从而可以降低控制难度。
3.根据权利要求1所述的一种感应电机控制稳定工作的方法，其特征在于，所述步骤S1中，感应电机在进行调速的过程中，需要进行电压与频率的协调控制，由于磁通的建立与转速的变化是同时发生的，为了获得良好的动态性能，同样要对磁通进行控制，然而在三相静止坐标系下，电机的电压方程与磁链方程是非线性的六维方程组，难以对三相感应电机的数学模型进行建立，通过采用坐标变换的方法来简化解耦数学模型，可以使得变频调速系统的控制性能得到提高。
4.根据权利要求1所述的一种感应电机控制稳定工作的方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过考虑电流传感器与速度传感器输入输出的关系，将两个观测器均设为全阶状态观测器，通过观测器可以对误差进行校正，使得动态响应效果更好，可以对于转速与电流的估计提供更大的误差限度，从而可以避免传统方法在动态时响应较慢电机容易失去控制的现象发生。
5.根据权利要求1所述的一种感应电机控制稳定工作的方法，其特征在于，所述步骤S2中，电流观测器需要速度观测器观测得到的转速信息来进行电流的观测，同时提供观测的定子电流给速度观测器，在系统运行过程中，两个观测器的观测精度对于系统稳定运行具有较大的影响，观测准度越高对于系统的控制性能就越高，当系统估计出现一定误差时，两个观测器将进行快速地动态响应，使两个观测器的输出不断接近真实值来稳定运行的状态。
6.根据权利要求1所述的一种感应电机控制稳定工作的方法，其特征在于，所述步骤S3中，包括电流环控制参数和速度环控制参数，电流环为内环，速度环为外环，其中，电流环采用PI控制器进行控制，通过对系统传递函数进行降阶处理，可以使得系统响应更快。
7.根据权利要求1所述的一种感应电机控制稳定工作的方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过电流和转速信息便能间接的控制磁链和转矩，因此，准确的电流与转速反馈是系统稳定运行的关键，由于温度、湿度、灰尘以及腐蚀等外界环境的影响或者人为不正规的操作，电流传感器会发生故障进而导致调速系统失去控制，当只有单个电流传感器正常工作时，通过构建的全阶状态观测器，即用感应电机的数学模型来估计电机的状态，通过反馈校正的方式对估计状态进行矫正，可以大大提高观测器的观测精度与稳定性，最后由观测器的状态方程可以得到定子电流信息与磁链信息，从而能够准确的为系统提供所需的电流与转速信息。
8.根据权利要求1所述的一种感应电机控制稳定工作的方法，其特征在于，所述步骤S5中，软件的实现是在Keil中完成，对于硬件部分，系统选用STM32数字处理芯片，配备有32位Cortex-M3为处理器内核，系统由主电路与控制电路组成，其中，主电路由功率板与I/O板组成，用于完成系统中能量的转换工作，通过整流桥与逆变桥实现电网与电机之间的能量流动，主电路要对电压电流等信息进行提取供给控制板进行算法处理，与此同时，接受控制板发出的控制指令，从而实现命令输出，直接控制电机运行，控制电路的作用是获取主电路提供的相应信息，并对信息进行控制算法的处理，经控制算法计算后，提供相应的工作命令，形成驱动信号，最后通过主电路完成对电机的控制。
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