CN114389497B - 一种异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法 - Google Patents

一种异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法，属异步电机控制领域，包括以下步骤：对电机的饱和特性离线标定得到电机在不同磁链下对应的互感值；通过电压电流计算得到转子磁链，然后实时查表该状态下电机的互感值；根据电机互感值和当前磁链观测器滤波系数计算磁链定向偏差角度；最后不断修正磁链观测器滤波系数将磁链定向偏差角度偏差控制在设定范围以内。本申请解决了传统异步电机电压电流混合磁链观测器在互感参数不准时产生的转子磁场定向不准，进而导致矢量控制性能下降的问题，有效地提高了系统的稳定性和动态响应速度，其算法简单，适用性强。

Description

一种异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法
技术领域
本发明涉及异步电机控制领域，具体涉及一种对于电机参数变化后具有自适应能力的异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法。
背景技术
异步电机具有结构简单、价格低廉、易维护可靠性高等优点在交流传动领域运用广泛。矢量控制算法是目前高性能控制算法中的主要方法，因为传统速度编码器不仅增加了成本，维护困难且容易受环境因素影响其精度和可靠性，所以无速度矢量控制技术是目前普遍采用的矢量控制算法。异步电机无速度矢量控制算法的关键在于对转子磁链的精确辨识。转子磁链辨识主要方法有电压模型磁链辨识和电流模型磁链辨识法，方法简单，两种算法对于磁链观测器要求比较高，要求磁链观测滤波器需要保证较宽调速范围的观测精度的同时具有较好的直流偏移抑制，所以磁链观测滤波器的系数确定非常重要。该方法对于电机参数的依赖性大，目前工程上电机参数多采用离线辨识的方法得到，但是随着电机工况的变化，电机温度变化引起肌肤效应和电机磁饱和度变化，会导致定子电阻、转子电阻和电机电感等参数均发生变化，极大的影响了磁链观测器的性能。此外近年来专家学者也提出了诸如模糊控制、神经元网络、专家系统等智能控制算法，但是这些算法都复杂且对硬件运算能力较高的要求，不利于工程应用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述基于异步电机电压模型和电流模型法中磁链观测器算法中的不足，提供一种异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法，解决电机工况变化等原因导致电机参数改变影响矢量控制性能的问题，提高了电机无速度矢量控制算法的可靠性、稳定性和动态响应速度。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
提供一种异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法，其包括以下步骤：
S1，使用恒压频比控制将电机空载运行在一固定频率，线性调节输出相电压幅值
Figure 57751DEST_PATH_IMAGE001
并实时采样定子电流幅值
Figure 974891DEST_PATH_IMAGE002
，得到输出相电压幅值
Figure 754628DEST_PATH_IMAGE001
和定子电流幅值
Figure 66616DEST_PATH_IMAGE002
特性曲线
Figure 880989DEST_PATH_IMAGE003
。
S2，根据所述输出相电压幅值
Figure 703451DEST_PATH_IMAGE001
和定子电流幅值
Figure 501643DEST_PATH_IMAGE002
特性曲线
Figure 700543DEST_PATH_IMAGE003
，结合异步电机稳态电压方程计算出不同状态下电机磁链
Figure 369422DEST_PATH_IMAGE004
和电机互感
Figure 769310DEST_PATH_IMAGE005
，并得到电机磁链
Figure 523640DEST_PATH_IMAGE004
和电机互感
Figure 260651DEST_PATH_IMAGE005
关系曲线
Figure 315195DEST_PATH_IMAGE006
并存入控制器中。
S3，在矢量控制运行过程中，根据输出电压矢量
Figure 745039DEST_PATH_IMAGE007
和采样电流矢量
Figure 986665DEST_PATH_IMAGE008
计算得到转子磁链观测值
Figure 668313DEST_PATH_IMAGE009
，结合所述电机磁链
Figure 311784DEST_PATH_IMAGE004
和电机互感
Figure 646950DEST_PATH_IMAGE005
关系曲线
Figure 907030DEST_PATH_IMAGE006
得到电机互感观测值
Figure 985845DEST_PATH_IMAGE010
。
S4，根据所述电机互感观测值
Figure 483822DEST_PATH_IMAGE010
和磁链观测器滤波系数K计算得到磁链定向偏差角
Figure 661994DEST_PATH_IMAGE011
。
S5，按照固定步长m修改所述磁链观测器滤波系数K直到所述磁链定向偏差角
Figure 612632DEST_PATH_IMAGE011
小于可接受的最大定向误差
Figure 495138DEST_PATH_IMAGE012
，其中m取值范围在0.01~0.1。
进一步地，所述S2中根据所述输出相电压幅值
Figure 378780DEST_PATH_IMAGE001
和定子电流幅值
Figure 321328DEST_PATH_IMAGE002
特性曲线
Figure 759263DEST_PATH_IMAGE003
计算得到所述电机磁链
Figure 84940DEST_PATH_IMAGE004
和电机互感
Figure 557509DEST_PATH_IMAGE005
关系曲线
Figure 670959DEST_PATH_IMAGE006
的方法为：
Figure 127348DEST_PATH_IMAGE013
其中
Figure 351656DEST_PATH_IMAGE005
为所述电机互感，
Figure 413153DEST_PATH_IMAGE001
为所述输出相电压幅值，
Figure 104028DEST_PATH_IMAGE014
为相电阻，
Figure 516555DEST_PATH_IMAGE002
为所述定子电流幅值，
Figure 544554DEST_PATH_IMAGE015
为定子运行角频率，
Figure 257295DEST_PATH_IMAGE016
为电机漏感，
Figure 446968DEST_PATH_IMAGE004
为所述电机磁链。
进一步地，所述S3中所述转子磁链观测值
Figure 346791DEST_PATH_IMAGE009
计算方法为：
Figure 319426DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 621094DEST_PATH_IMAGE009
为所述转子磁链观测值，
Figure 512827DEST_PATH_IMAGE007
为所述输出电压矢量，
Figure 899946DEST_PATH_IMAGE008
为所述采样电流矢量，d为微分符号，t为采样时间，
Figure 269747DEST_PATH_IMAGE016
为电机漏感，
Figure 566868DEST_PATH_IMAGE014
为相电阻。
进一步地，所述S4中所述磁链观测器滤波系数K的初始值为1，根据所述转子磁链观测值
Figure 363922DEST_PATH_IMAGE009
和所述电机互感观测值
Figure 972758DEST_PATH_IMAGE010
计算所述磁链定向偏差角
Figure 677409DEST_PATH_IMAGE011
的方法为：
Figure 688091DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 656047DEST_PATH_IMAGE019
为定子d轴的电流分量。
进一步地，所述S5中按照所述固定步长m修改所述磁链观测器滤波系数K的方法为：
Figure 657238DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 368842DEST_PATH_IMAGE011
为所述磁链定向偏差角，
Figure 234030DEST_PATH_IMAGE012
为所述可接受的最大定向误差。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：算法简单，通过在线调整磁链观测器滤波系数来提高磁链观测器精度，解决了因为电机工况变化等原因导致电机参数改变影响矢量控制性能的问题，提高了异步电机无速度矢量控制算法的可靠性、稳定性和动态响应速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法的算法框图；
图2为本发明一种异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法的流程图；
图3为电机磁链
Figure 904046DEST_PATH_IMAGE004
和电机互感
Figure 487474DEST_PATH_IMAGE005
关系曲线
Figure 737190DEST_PATH_IMAGE006
。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
具体的实施步骤如下：
如图1所示为本发明算法框图，包括了电流电压采样部分、坐标变换、磁链观测、磁链定向偏差角计算和磁链观测器滤波系数K修正等模块。
一种异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法的实施流程如图2所示，具体包括以下步骤：
S1：控制变频器采用恒压频比控制，空载运行固定频率
Figure 128988DEST_PATH_IMAGE021
，电机电流均为励磁分量。线性调节输出相电压幅值
Figure 438747DEST_PATH_IMAGE001
并实时采样定子电流幅值
Figure 509471DEST_PATH_IMAGE002
，分别记录定子电流幅值等于0.6~1.3倍电机额定电流下的输出相电压幅值，得到输出相电压幅值
Figure 94036DEST_PATH_IMAGE001
和定子电流幅值
Figure 933816DEST_PATH_IMAGE002
特性曲线
Figure 414476DEST_PATH_IMAGE003
，结合异步电机稳态电压方程计算出不同状态下电机磁链
Figure 113442DEST_PATH_IMAGE004
和电机互感
Figure 970539DEST_PATH_IMAGE005
。
Figure 664826DEST_PATH_IMAGE016
为电机漏感，
Figure 847545DEST_PATH_IMAGE014
为相电阻均通过电机铭牌得到，根据输出相电压幅值
Figure 892862DEST_PATH_IMAGE001
和定子电流幅值
Figure 288071DEST_PATH_IMAGE002
特性曲线
Figure 243389DEST_PATH_IMAGE003
计算得到电机磁链
Figure 331430DEST_PATH_IMAGE004
和电机互感
Figure 598464DEST_PATH_IMAGE005
关系曲线
Figure 797364DEST_PATH_IMAGE006
的方法为：
Figure 731822DEST_PATH_IMAGE013
。
S2：无速度矢量控制采用基于转子磁场定向控制，采样三相电流通过静止坐标变换得到旋转坐标系下的电流
Figure 990765DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 650154DEST_PATH_IMAGE023
，其中旋转坐标系下的电压
Figure 387166DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 441709DEST_PATH_IMAGE025
直接采用SVPWM得到的调制电压，相电阻
Figure 871554DEST_PATH_IMAGE014
、电机漏感
Figure 847600DEST_PATH_IMAGE016
均通过铭牌得来，转子磁链观测值
Figure 794827DEST_PATH_IMAGE009
计算方法为：
Figure 438298DEST_PATH_IMAGE026
其中，d为微分符号，t为采样时间。
根据计算的转子磁链观测值
Figure 773465DEST_PATH_IMAGE009
和电机磁链
Figure 33545DEST_PATH_IMAGE004
和电机互感
Figure 112359DEST_PATH_IMAGE005
关系曲线
Figure 610337DEST_PATH_IMAGE006
，得到电机互感观测值
Figure 116404DEST_PATH_IMAGE010
。
S3：根据所述电机互感观测值和磁链观测器滤波系数K计算得到磁链定向偏差角
Figure 739147DEST_PATH_IMAGE011
，磁链观测器滤波系数K的初始值为1，磁链定向偏差角
Figure 621652DEST_PATH_IMAGE011
计算方法为：
Figure 505295DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 447843DEST_PATH_IMAGE019
为定子d轴的电流分量。
S4，判断磁链定向偏差角绝对值
Figure 885777DEST_PATH_IMAGE027
是否小于
Figure 712919DEST_PATH_IMAGE029
，如是，结束当前周期内磁链观测器滤波系数K修改，否则，进入步骤S5。
S5，按照固定步长m修改磁链观测器滤波系数K，进入步骤S4。固定步长修改所述磁链观测器滤波系数K的方法为：
Figure 185489DEST_PATH_IMAGE020
其中，定义固定步长
Figure 33359DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 489748DEST_PATH_IMAGE031
，带入上式中，所述磁链观测器滤波系数K的修改方法简化为：
Figure 714056DEST_PATH_IMAGE032
。
图3为75KW异步电机按照所述步骤S1得到的电机磁链
Figure 41132DEST_PATH_IMAGE004
和电机互感
Figure 230543DEST_PATH_IMAGE005
关系曲线
Figure 643070DEST_PATH_IMAGE006
，横坐标为电机磁链
Figure 405489DEST_PATH_IMAGE004
，纵坐标为电机互感
Figure 118230DEST_PATH_IMAGE005
。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，使用恒压频比控制将电机空载运行在一固定频率，线性调节输出相电压幅值
Figure 593463DEST_PATH_IMAGE001
并实时采样定子电流幅值
Figure 925219DEST_PATH_IMAGE002
，得到输出相电压幅值
Figure 883947DEST_PATH_IMAGE001
和定子电流幅值
Figure 742182DEST_PATH_IMAGE002
特性曲线
Figure 446439DEST_PATH_IMAGE003
；
S2，根据所述输出相电压幅值
Figure 390125DEST_PATH_IMAGE001
和定子电流幅值
Figure 886965DEST_PATH_IMAGE002
特性曲线
Figure 475072DEST_PATH_IMAGE003
，结合异步电机稳态电压方程计算出不同状态下电机磁链
Figure 727062DEST_PATH_IMAGE004
和电机互感
Figure 361306DEST_PATH_IMAGE005
，并得到电机磁链
Figure 583209DEST_PATH_IMAGE004
和电机互感
Figure 416035DEST_PATH_IMAGE005
关系曲线
Figure 448713DEST_PATH_IMAGE006
并存入控制器中；
S3，在矢量控制运行过程中，根据输出电压矢量
Figure 570253DEST_PATH_IMAGE007
和采样电流矢量
Figure 205634DEST_PATH_IMAGE008
计算得到转子磁链观测值
Figure 784645DEST_PATH_IMAGE009
，结合所述电机磁链
Figure 112858DEST_PATH_IMAGE004
和电机互感
Figure 456115DEST_PATH_IMAGE005
关系曲线
Figure 301711DEST_PATH_IMAGE006
得到电机互感观测值
Figure 843551DEST_PATH_IMAGE010
；
S4，根据所述电机互感观测值
Figure 467299DEST_PATH_IMAGE010
、所述转子磁链观测值
Figure 297852DEST_PATH_IMAGE009
和磁链观测器滤波系数K的初始值为1计算得到磁链定向偏差角
Figure 540614DEST_PATH_IMAGE012
，其计算方法为：
Figure 77906DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 951184DEST_PATH_IMAGE014
为定子d轴的电流分量；
S5，按照固定步长m修改所述磁链观测器滤波系数K直到所述磁链定向偏差角
Figure 65771DEST_PATH_IMAGE015
小于可接受的最大定向误差
Figure 735393DEST_PATH_IMAGE016
，其中m取值范围在0.01~0.1。
2.根据权利要求1所述的一种异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法，其特征在于，所述S2中根据所述输出相电压幅值
Figure 251825DEST_PATH_IMAGE001
和定子电流幅值
Figure 296004DEST_PATH_IMAGE002
特性曲线
Figure 38832DEST_PATH_IMAGE003
计算得到所述电机磁链
Figure 623398DEST_PATH_IMAGE004
和电机互感
Figure 197598DEST_PATH_IMAGE005
关系曲线
Figure 599630DEST_PATH_IMAGE006
的方法为：
Figure 423229DEST_PATH_IMAGE017
其中
Figure 686852DEST_PATH_IMAGE005
为所述电机互感，
Figure 115559DEST_PATH_IMAGE001
为所述输出相电压幅值，
Figure 298278DEST_PATH_IMAGE018
为相电阻，
Figure 766431DEST_PATH_IMAGE002
为所述定子电流幅值，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为定子运行角频率，
Figure 427220DEST_PATH_IMAGE020
为电机漏感，
Figure 648117DEST_PATH_IMAGE004
为所述电机磁链。
3.根据权利要求1所述的一种异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法，其特征在于，所述S3中所述转子磁链观测值
Figure 267317DEST_PATH_IMAGE009
计算方法为：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 924563DEST_PATH_IMAGE009
为所述转子磁链观测值，
Figure 654622DEST_PATH_IMAGE007
为所述输出电压矢量，
Figure 730025DEST_PATH_IMAGE008
为所述采样电流矢量，d为微分符号，t为采样时间，
Figure 723389DEST_PATH_IMAGE020
为电机漏感，
Figure 743297DEST_PATH_IMAGE018
为相电阻。
4.根据权利要求1所述的一种异步电机电压电流混合磁链观测器定向误差补偿方法，其特征在于，所述S5中按照所述固定步长m修改所述磁链观测器滤波系数K的方法为：
Figure 165795DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 220339DEST_PATH_IMAGE015
为所述磁链定向偏差角，
Figure 119025DEST_PATH_IMAGE016
为所述可接受的最大定向误差。
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