CN113131814B - 用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法，包括：电压型逆变器驱动异步电机正常工作，并通过所述控制器中的电流传感器采样获取定子三相电流信息，通过低精度编码器获取转子位置信息；将所述定子三相电流信息进行坐标变换得到各坐标系下电流数据；建立同步旋转坐标系下的异步电机电磁转矩的模型，利用电机的机械参数与运行参数计算电磁转矩；建立每次转子位置更新时与控制周期相关的转子位置插值模型，将插值后的转子位置参考信息输入到滑模观测器；将滑模观测器输出的转子位置信息反馈磁链观测器，用于磁链观测；将滑模观测器输出的负载转矩信息前馈至电流环，用于补偿负载扰动。

Description

用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法。

背景技术

在采用低精度编码器的三相异步电机的矢量控制系统中，由于速度信息在特定转子位置更新，在低速时并不能精确地获取当前时刻的精确速度信息，为电机控制带来了极大的难度。此外，受运行工况影响，负载存在变化较大的情况，例如牵引电机工作时牵引绳突然断裂导致负载转矩骤减。由于预设转速环频带宽度相对较小，不能及时响应负载突变，造成转速较大波动进而使电流环振荡起来，严重时会造成整个系统崩溃。因此，在低精度编码器条件下进行全速范围内快速、可靠的负载观测并进行电流环前馈对于提高电机系统可靠性，避免电气运行事故的发生具有重要意义。

基于高精度编码器的负载转矩观测方案有模型参考自适应控制、卡尔曼滤波、扩张观测器、滑模观测器等。模型参考自适应控制依据参考模型很快设计出理论的观测方案，但其依赖于参考模型的精度；扩张观测器可以同时观测负载转矩与转动惯量，但其闭环反馈增益不易设计且精度受系统初值影响；扩展卡尔曼滤波器对于带有干扰的信号也具有较高的辨识精度，但是迭代与矩阵运算降低了其应用实时性与普适性；滑模观测器鲁棒性较强，收敛精度不受系统参数影响，但其一阶观测系统存在抖振问题。

发明内容

本发明提供了一种用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法，其目的是为了解决低精度编码器条件下负载突变导致转速控制性能恶劣的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法，包括：

步骤1，电压型逆变器驱动异步电机正常工作，并通过所述控制器中的电流传感器采样获取定子三相电流信息，通过低精度编码器获取转子位置信息；

步骤2，将所述定子三相电流信息进行坐标变换得到各坐标系下电流数据；

步骤3，建立同步旋转坐标系下的异步电机电磁转矩的模型，利用电机的机械参数与运行参数计算电磁转矩；

步骤4，建立每次转子位置更新时与控制周期相关的转子位置插值模型，将插值后的转子位置参考信息输入到滑模观测器；

步骤5，建立电机从转子位置到负载转矩的扩展状态的运动模型，定义两个观测误差，分别为转子位置观测误差和负载转矩观测误差；

步骤6，建立电机扩展观测状态方程，结合所述电机扩展状态的运动模型，根据两个观测误差及其导数设计滑模观测器，通过滑模变结构控制将观测误差控制为零；

步骤7，将滑模观测器输出的转子位置信息反馈至磁链观测器，用于磁链观测；将滑模观测器输出的负载转矩信息前馈至电流环，用于补偿负载扰动。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明的用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法在电压源型逆变器驱动异步电机正常工作的情况下，通过外置传感器采样获取电流信息，通过坐标变换，根据电机特征的物理模型，计算出电机的电磁转矩；为了获取开关周期连续的转子位置信息，提出了一种实用的转子位置插值算法，在电机低速低精度编码器更新数据不及时的情况下，能够获得较为准确的转子位置信息；为获得电机转子位置与负载转矩的观测误差信息，建立异步电机从转子位置到负载转矩的运物理运动方程，设计基于滑膜观测器的扩展状态方程以表示出观测误差信息；为了将观测误差控制为零，采用基于二阶滑模趋近律的控制律，在有效避免系统抖振的同时，实现快速精确地辨识负载转矩；为了降低负载突变对转速的影响，将辨识出的负载转矩前馈至控制系统的电流环，利用电流环的快速性对负载扰动做出补偿，极大提高系统的稳定性能。

附图说明

图1为本发明的用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法的流程示意图；

图2为本发明的本发明的低精度编码器条件下的负载转矩观测流程图；

图3为转子位置插值数学模型示意图；

图4为负载转矩观测效果图；

图5为转子位置插值方法效果图；

图6为负载转矩前馈效果对比图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法，包括：

步骤1，电压型逆变器驱动异步电机正常工作，并通过所述控制器中的电流传感器采样获取定子三相电流信息，通过低精度编码器获取转子位置信息；

步骤2，将所述定子三相电流信息进行坐标变换得到各坐标系下电流数据；

步骤3，建立同步旋转坐标系下的异步电机电磁转矩的模型，利用电机的机械参数与运行参数计算电磁转矩；

步骤4，建立每次转子位置更新时与控制周期相关的转子位置插值模型，将插值后的转子位置参考信息输入到滑模观测器；

步骤5，建立电机从转子位置到负载转矩的扩展状态的运动模型，定义两个观测误差，分别为转子位置观测误差和负载转矩观测误差；

步骤6，建立电机扩展观测状态方程，结合所述电机扩展状态的运动模型，根据两个观测误差及其导数设计滑模观测器，通过滑模变结构控制将观测误差控制为零；

步骤7，将滑模观测器输出的转子位置信息反馈至磁链观测器，用于磁链观测；将滑模观测器输出的负载转矩信息前馈至电流环，用于补偿负载扰动。

本发明的用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法在电压源型逆变器驱动异步电机正常工作的情况下，通过外置传感器采样获取电流信息，通过坐标变换，根据电机特征的物理模型，计算出电机的电磁转矩；为了获取开关周期连续的转子位置信息，提出了一种实用的转子位置插值算法，在电机低速低精度编码器更新数据不及时的情况下，能够获得较为准确的转子位置信息；为获得电机转子位置与负载转矩的观测误差信息，建立异步电机从转子位置到负载转矩的运物理运动方程，设计基于滑膜观测器的扩展状态方程以表示出观测误差信息；为了将观测误差控制为零，采用基于二阶滑模趋近律的控制律，在有效避免系统抖振的同时，实现快速精确地辨识负载转矩；为了降低负载突变对转速的影响，将辨识出的负载转矩前馈至控制系统的电流环，利用电流环的快速性对负载扰动做出补偿，极大提高系统的稳定性能。

如图2所示，所述定子三相电流与转子位置信息分别表示为：i_a——A相定子电流；i_b——B相定子电流；i_c——C相定子电流；θ_N——低精度编码器第N次输出的转子位置。

其中，所述电流坐标变换具体表示为：i_α——静止坐标系α轴电流；i_β——静止坐标系β轴电流；i_m——同步旋转坐标系m轴电流；i_t——同步旋转坐标系t轴电流。

其中，所述步骤3具体包括：

所述电磁转矩的模型为：

其中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数，L_m为励磁电感，L_r为转子电感，

为转子磁链，i_t为同步旋转坐标系t轴电流。

其中，所述步骤4具体包括：

所述转子位置插值数学模型为：

其中，△θ为转子位置变化量，与编码器精度相关；θ_N-1与θ_N为编码器输出的相邻两个转子位置；T_s为开关周期，n为编码器输出相邻转子位置所需开关周期时间数，

为每个开关周期等效转子位置变化量；θ(k)与θ(k+1)为某开关周期的经过插值模型的转子位置，且在每次编码器数据更新时修正为θ_N，θ_N为低精度编码器第N次输出的转子位置。

由图2可知，在电机减速时，例如在由θ_N-1转向θ_N过程中，每个开关周期中θ(k+1)由θ_N-1与θ_N-2根据公式(2)计算出的

与θ(k)相加得到，计算出的θ(k+1)不断累加，此时累加总量超过△θ之后被削平为△θ。在电机匀速时，例如由θ_N转向θ_N+1过程中，θ(k+1)由θ_N与θ_N-1计算出的

与θ(k)相加得到，θ_N平滑插值到θ_N+1；在电机加速时，例如在由θ_N+1转向θ_N+2过程中，θ(k+1)由θ_N+1与θ_N计算出的

与θ(k)相加得到。在θ_N+2到来的那一时刻，累加总量未达△θ，θ(k)更新为θ_N+2，此后θ(k+1)由θ_N+1与θ_N+2计算出的

与θ(k)相加得到。整个过程中

其中，所述步骤5具体包括：

所述电机扩展状态方程为：

其中，T_L为负载转矩，J为电机转动惯量，ω为转子电角速度。

其中，所述步骤5具体包括：

所述观测误差的计算模型为：

其中，e₁为转子位置观测误差，e₂为负载转矩观测误差，

为转子位置的观测值，

为负载转矩观测值。

其中，所述步骤6具体包括为：

步骤601，所述电机扩展状态观测方程为：

其中

为速度观测值，P为速度扩展观测控制律，g为反馈增益，U为与观测误差相关的控制律；

根据所述公式4和公式5可得出：

其中，转子位置观测误差e₁的二阶导数中同时包含U与

故在设计滑模观测器时需考虑

并找出U与

需满足的关系；

步骤602，选取包含

的滑模面，结合公式(6)计算其一阶微分：

步骤603，根据滑模控制理论，假设系统滑模面及其一阶导数可以控制到零，则负载转矩观测误差方程导出为：

步骤604，对速度扩展观测控制律P进行设计：

其中，k为比例参数，且k>-1；

步骤605，由公式(6)可知

结合公式(7)～(9)，得到

设计参数使g<0，则负载转矩观测误差便可收敛到零；(k+1)与g的比值影响负载转矩的收敛速度，其比值的绝对值越大，收敛越快，比值的绝对值越小，收敛越慢；

步骤606，为使步骤604滑模面及其一阶导数可以收敛至零，结合滑模控制理论与李雅普诺夫稳定性理论，选取趋近律为：

其中k₁与k₂为滑模增益，需满足k₁<0，k₂<0；sign(x)是符号函数，可表示为：

由公式(9)～(12)可知，控制律可以表示为

完成滑模观测器设计。

其中，负载转矩观测效果如图4所示，转子位置插值模型效果如图5所示。

其中，所述步骤7具体包括：

所述滑模观测器输出的转子位置信息

用以磁链观测可简述为：

其中，L_σ为漏磁系数，T_r为转子时间常数；

所述负载转矩信息前馈至电流环，用以补偿负载扰动，可表示为：

其中，

为总电流环参考输入，i_qref为转速环计算出的电流参考值，K_t为负载转矩前馈系数，由电机本身决定，其计算模型如下：

本发明的负载转矩观测方案前馈效果如图6所示，其中图6(a)电机加速过程中负载转矩由零突变至7Nm，引起了电机转速波动约98rpm，图6(b)为进行负载转矩观测及前馈后的转速情况，转速波动减少到32rpm。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法，其特征在于，包括：

步骤1，电压型逆变器驱动异步电机正常工作，并通过控制器中的电流传感器采样获取定子三相电流信息，通过低精度编码器获取转子位置信息；

步骤2，将所述定子三相电流信息进行坐标变换得到各坐标系下电流数据；

步骤3，建立同步旋转坐标系下的异步电机电磁转矩的模型，利用电机的机械参数与运行参数计算电磁转矩；

步骤4，建立每次转子位置更新时与控制周期相关的转子位置插值模型，将插值后的转子位置参考信息输入到滑模观测器；

步骤5，建立电机从转子位置到负载转矩的扩展状态的运动模型，定义两个观测误差，分别为转子位置观测误差和负载转矩观测误差；

所述观测误差的计算模型为：

其中，e₁为转子位置观测误差，e₂为负载转矩观测误差，

为转子位置的观测值，

为负载转矩观测值；

步骤6，建立电机扩展观测状态方程，结合所述电机扩展状态的运动模型，根据两个观测误差及其导数设计滑模观测器，通过滑模变结构控制将观测误差控制为零；

步骤601，所述电机扩展状态观测方程为：

其中，

为转子位置的观测值，

为速度观测值，P为速度扩展观测控制律，T_e为电磁转矩，

为负载转矩观测值，J为电机转动惯量，g为反馈增益，U为与观测误差相关的控制律；

根据所述公式4和公式5可得出：

其中，θ为转子位置，ω为转子电角速度，e₂为负载转矩观测误差，转子位置观测误差e₁的二阶导数中同时包含U与

故在设计滑模观测器时需考虑

并找出U与

需满足的关系；

步骤602，选取包含

的滑模面，结合公式(6)计算其一阶微分：

步骤603，根据滑模控制理论，假设系统滑模面及其一阶导数可以控制到零，则负载转矩观测误差方程导出为：

步骤604，对速度扩展观测控制律P进行设计：

其中，k为比例参数，且k＞-1；

步骤605，由公式(6)可知

结合公式(7)～(9)，得到

设计参数使g<0，则负载转矩观测误差便可收敛到零；(k+1)与g的比值影响负载转矩的收敛速度，其比值的绝对值越大，收敛越快，比值的绝对值越小，收敛越慢；

步骤606，结合滑模控制理论与李雅普诺夫稳定性理论，选取趋近律为：

其中k₁与k₂为滑模增益，需满足k₁＜0，k₂＜0；sign(x)是符号函数，可表示为：

由公式(9)～(12)可知，控制律可以表示为：

完成滑模观测器设计；

步骤7，将滑模观测器输出的转子位置信息反馈至磁链观测器，用于磁链观测；将滑模观测器输出的负载转矩信息前馈至电流环，用于补偿负载扰动。

2.根据权利要求1所述的用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

所述电磁转矩的模型为：

其中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数，L_m为励磁电感，L_r为转子电感，

为转子磁链，i_t为同步旋转坐标系t轴电流。

3.根据权利要求1所述的用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

所述转子位置插值数学模型为：

其中，Δθ为转子位置变化量，与编码器精度相关；θ_N-1与θ_N为编码器输出的相邻两个转子位置；T_s为开关周期，n为编码器输出相邻转子位置所需开关周期时间数，

为每个开关周期等效转子位置变化量；θ(k)与θ(k+1)为某开关周期的经过插值模型的转子位置，且在每次编码器数据更新时修正为θ_N，θ_N为低精度编码器第N次输出的转子位置。

4.根据权利要求1所述的用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：

所述电机扩展状态方程为：

其中，T_e为电磁转矩，T_L为负载转矩，J为电机转动惯量，θ为转子位置，ω为转子电角速度。

5.根据权利要求1所述的用于低精度编码器场合的异步电机负载转矩观测方法，其特征在于，所述步骤7具体包括：

所述滑模观测器输出的转子位置信息

用以磁链观测可简述为：

其中，L_σ为漏磁系数，T_r为转子时间常数；

所述负载转矩信息前馈至电流环，用以补偿负载扰动，可表示为：

其中，

为总电流环参考输入，i_qref为转速环计算出的电流参考值，K_t为负载转矩前馈系数，由电机本身决定，其计算模型如下：

其中，L_r为转子电感，p为电机极对数，L_m为励磁电感，

为转子磁链。

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