CN116846281A - 基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，基于包括隧道掘进用异步电机、基于IGBT的变频器主回路、基于DSP的控制器和异步电机三相交流电流传感器的异步电机无速度传感器控制系统，基于IGBT的变频器主回路连接异步电机三相绕组，三相交流电流传感器用于采集电机的三相电流，并传递给基于DSP的控制器，基于DSP的控制器经过实时运算，实现异步电机无速度传感器控制，并输出PWM信号给基于IGBT的变频器主回路，驱动IGBT导通或关断，从而实现异步电机的无速度传感器控制。本发明加入角度补偿算法，以增加额外的自由度，减小了电机参数变化和控制延时对异步电机无速度传感器控制的影响。

Description

基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法

技术领域

本发明涉及异步电机控制技术领域，特别是指一种基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法。

背景技术

异步电机因具有结构简单、成本低、可靠性高等优点而在隧道掘进领域得到广泛应用。为了提高隧道掘进机用异步电机的运行可靠性，往往需要采用无速度传感器控制方案。现有基于磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方案主要包括电压模型磁链观测器方案和混合模型磁链观测器的方案。申请号为202110626027.1的发明专利提出了一种改进型电压模型的磁链观测器，采用陷波器代替纯积分运算，可以克服直流偏置的影响。但该方案在低速时观测精度较低。文献[基于改进磁链观测器的感应电机转速辨识[J].电工技术学报,2012,27(04):42-47.]、文献[一种基于混合型磁链观测器的异步电机直接转矩控制[J].电工技术学报,2015,30(10):157-163.]、文献[张兴,魏冬冬,杨淑英,谢震.基于DSVM混合磁链模型感应电机直接转矩控制[J].电工技术学报,2010,25(11):62-67.]、文献[基于改进闭环磁链观测器的感应电机无速度矢量控制[J].电工技术学报,2013,28(03):148-153.]均提出了基于混合电压电流模型的异步电机定子磁链和转子磁链观测方法，通过利用电流模型估计的转子磁链校正电压模型，可以克服纯积分运算的影响，并提高低速带载稳定运行能力，最后根据观测的磁链可以实现转速观测和无速度传感器控制。然而，这类方案受电机模型参数和控制延时等因素的影响。当电机参数发生变化，或控制延时较大时，转速估计误差会显著增大，从而影响异步电机的无速度传感器低速带载运行能力。

因此，急需对现有方案进行改进，通过增加额外的自由度，提高基于混合电压电流模型磁链观测器的异步电机无速度传感器控制低速带载运行能力，满足隧道掘进装备低速脱困运行的需要。

发明内容

针对上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，解决了异步电机无速度传感器低速大转矩运行的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，其步骤如下：

步骤一、利用电流传感器采集异步电机的三相交流电流i_a、i_b、i_c，并将电流i_a、i_b、i_c变换到αβ坐标系，得到异步电机电流i_α、i_β；

步骤二、根据异步电机电流闭环矢量控制算法得到电机在αβ坐标系上的电压u_α、u_β；

步骤三、根据异步电机电压模型定子磁链观测方法观测异步电机电压模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαv、ψ_sβv；

步骤四、根据步骤一得到的异步电机电流i_α、i_β，计算在同步旋转dq坐标系上的励磁电流i_sd；

步骤五、根据步骤四得到的励磁电流i_sd，计算转子磁链在d轴上的分量ψ_rd；

步骤六、根据步骤五得到的转子磁链分量ψ_rd，计算转子磁链在αβ坐标系上的异步电机转子磁链ψ_rα、ψ_rβ；

步骤七、根据步骤一得到的异步电机电流i_α、i_β和步骤六得到的异步电机转子磁链ψ_rα、ψ_rβ，计算异步电机电流模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαi、ψ_sβi；

步骤八、根据步骤三得到的异步电机电压模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαv、ψ_sβv和步骤七得到的异步电机电流模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαi、ψ_sβi，计算补偿的电压误差△e_α、△e_β；

步骤九、根据步骤三得到的异步电机电压模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαv、ψ_sβv，计算异步电机转子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_rαvi、ψ_rβvi；

步骤十、根据步骤九得到的异步电机转子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_rαvi、ψ_rβvi，通过锁相环得到异步电机转子磁链的角度θ_r0和角频率ω_e；

步骤十一、根据步骤十得到的异步电机转子磁链的角度θ_r0和角频率ω_e，进行自适应角度补偿，得到补偿后的异步电机转子磁链角度θ_r；满足：

θ_r＝θ_r0+kω_eT_si_sqref；

式中，k为待设计的参数，T_s为离散系统的控制周期，i_sqref为异步电机的转矩电流参考值；

步骤十二、根据步骤十得到的转子磁链角频率ω_e，计算估计的异步电机转速

步骤十三、将步骤十一得到的补偿后的异步电机转子磁链角度θ_r和步骤十二估计的异步电机输入异步电机无速度传感器控制系统，输出的六路PWM信号传输至基于IGBT的变频器主回路，驱动IGBT导通或关断，从而实现异步电机的无速度传感器控制。

所述异步电机电流i_α、i_β的计算方法为：

所述异步电机电压模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαv、ψ_sβv的计算方法为：

式中，s表示拉普拉斯算子，R_s为异步电机的定子电阻，△e_α、△e_β为补偿的电压误差。

所述励磁电流i_sd的计算方法为：

i_sd＝i_αcosθ_r+i_βsinθ_r；

式中，θ_r为补偿后的异步电机转子磁链角度。

所述转子磁链在d轴上的分量ψ_rd的计算方法为：

ψ_rd＝L_mi_sd；

式中，L_m为异步电机的互感。

所述转子磁链在αβ坐标系上的异步电机转子磁链ψ_rα、ψ_rβ的计算方法为：

所述异步电机电流模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαi、ψ_sβi的计算方法为：

式中，L_r为异步电机的转子电感，L_s为异步电机的定子电感，σ为漏感系数，满足

所述补偿的电压误差△e_α、△e_β的计算方法为：

式中，k_p为比例系数，k_i为积分系数。

所述异步电机转子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_rαvi、ψ_rβvi的计算方法为：

所述估计的异步电机转速的计算方法为：

式中，R_r为异步电机的转子电阻，i_sdref为异步电机的励磁电流参考值。

与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：

1)本发明在常规混合模型磁链观测中加入角度补偿算法，以增加额外的自由度，减小电机参数变化和控制延时对异步电机无速度传感器控制的影响。

2)本发明的补偿角与转速和负载大小成比例，在负载比较大时进行角度补偿，提高异步电机低速大转矩运行稳定性。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明的系统框图。

图2为本发明的异步电机矢量控制框图。

图3为本发明的控制流程图。

图4为常规方法(不补偿)时的估计转速和实际转速波形图。

图5为本发明方法(带补偿)时的估计转速和实际转速波形图。

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付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。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，基于带补偿混合模型磁链观测器的异步电机无速度传感器控制系统，该系统主要包括：隧道掘进用异步电机、基于IGBT的变频器主回路、基于DSP28335的控制器、异步电机三相交流电流传感器等。基于IGBT的变频器主回路连接异步电机三相绕组，三相交流电流传感器用于采集电机的三相电流，并传递给基于DSP28335的控制器，基于DSP28335的控制器经过实时运算，实现基于带补偿混合模型磁链观测器的异步电机无速度传感器控制，并输出PWM信号给基于IGBT的变频器主回路，驱动IGBT导通或关断，从而实现异步电机控制。如图3所示，本发明方法的具体实现步骤如下：

步骤一、利用异步电机三相交流电流传感器采集异步电机的三相交流电流i_a、i_b、i_c，并将电流i_a、i_b、i_c变换到αβ坐标系，得到异步电机电流i_α、i_β；满足：

步骤二、根据异步电机电流闭环矢量控制算法得到电机在αβ坐标系上的电压u_α、u_β；具体为：将步骤一得到的电流i_α作为反馈值，与参考电流进行比较，其差值/>经过比例积分控制器得到电压u_α；将步骤一得到的电流i_β作为反馈值，与参考电流/>进行比较，其差值/>经过比例积分控制器得到电压u_β。

步骤三、根据异步电机电压模型定子磁链观测方法观测异步电机电压模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαv、ψ_sβv；满足：

式中，s表示拉普拉斯算子，R_s为异步电机的定子电阻，△e_α、△e_β为补偿的电压误差。第一次执行本算法时，△e_α、△e_β均为零，此后△e_α、△e_β使用步骤八得到的值。

步骤四、根据步骤一得到的异步电机电流i_α、i_β，计算在同步旋转dq坐标系上的励磁电流i_sd；满足：

i_sd＝i_αcosθ_r+i_βsinθ_r (3)

式中，θ_r为补偿后的异步电机转子磁链角度，第一次执行本算法时，θ_r为零，此后θ_r使用步骤十一得到的值。

步骤五、根据步骤四得到的励磁电流i_sd，计算转子磁链在d轴上的分量ψ_rd；满足：

ψ_rd＝L_mi_sd (4)

式中，L_m为异步电机的互感。

步骤六、根据步骤五得到的转子磁链分量ψ_rd，计算转子磁链在αβ坐标系上的异步电机转子磁链ψ_rα、ψ_rβ；满足：

步骤七、根据步骤一得到的异步电机电流i_α、i_β和步骤六得到的异步电机转子磁链ψ_rα、ψ_rβ，计算异步电机电流模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαi、ψ_sβi；满足：

式中，L_r为异步电机的转子电感，L_s为异步电机的定子电感，σ为漏感系数，满足

步骤八、根据步骤三得到的异步电机电压模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαv、ψ_sβv和步骤七得到的异步电机电流模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαi、ψ_sβi，计算补偿的电压误差△e_α、△e_β；满足：

式中，k_p为比例系数，k_i为积分系数；通常需要采用试凑法得到k_p和k_i。

步骤九、根据步骤三得到的异步电机电压模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαv、ψ_sβv，计算异步电机转子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_rαvi、ψ_rβvi；满足：

步骤十、根据步骤九得到的异步电机转子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_rαvi、ψ_rβvi，通过锁相环得到异步电机转子磁链的角度θ_r0和角频率ω_e。

锁相环是一种常用的用于估计交流信号频率和角度的方法，常用于估计电网电压的角度和频率，在电机无速度传感器控制中也经常使用。

其原理是把ψ_rαvi、ψ_rβvi利用角度θ_r0变换到同步旋转坐标系上，得到ψ_rq，然后让这个ψ_rq经过比例积分控制器得到角频率ω_e，然后ω_e经过积分后得到角度θ_r0，角度θ_r0再反馈回来用于实现把ψ_rαvi、ψ_rβvi变换为ψ_rq，构成闭环。当ψ_rq为零时，锁相环收敛，就得到了准确的角度θ_r0和角频率ω_e。

步骤十一、根据步骤十得到的异步电机转子磁链的角度θ_r0和角频率ω_e，进行自适应角度补偿，得到补偿后的异步电机转子磁链角度θ_r；满足：

θ_r＝θ_r0+kω_eT_si_sqref (9)

式中，k为待设计的参数，T_s为离散系统的控制周期，i_sqref为异步电机的转矩电流参考值。

步骤十二、根据步骤十得到的转子磁链角频率ω_e，计算估计的异步电机转速满足：

式中，R_r为异步电机的转子电阻，i_sdref为异步电机的励磁电流参考值。

步骤十三、将步骤十一得到的补偿后的异步电机转子磁链角度θ_r和步骤十二估计的异步电机输入异步电机无速度传感器控制系统，输出的六路PWM信号传输至基于IGBT的变频器主回路，驱动IGBT导通或关断，从而实现异步电机的无速度传感器控制。

为了验证本发明的可行性，进行了仿真研究。仿真所用异步电机的参数为：定子电阻为5.27欧，转子电阻为5.07欧，互感为0.421H，定子漏感为0.002H，转子漏感为0.008H，极对数为2。仿真时，转速参考值n在1.5s时由200r/min突减为50r/min，在3s时由50r/min突减为10r/min。负载转矩在0.7s时由0突增为7Nm，在4s时由7Nm突增为14Nm，在5.5s时由14Nm突增为21Nm。

图4给出了常规方法(不补偿)时的估计转速和实际转速波形，图5给出了本发明方法(带补偿)时的估计转速和实际转速波形。图中，ω_{_e}表示估计的角速度，ω_{_c}表示实际的角速度，角速度ω与转速n的关系为ω＝n*π/15。

由图4可见，常规方法在中高速轻载运行时也可以实现转速观测，转速观测误差较小。然而，在5.5s负载增大到21Nm时，常规方法开始出现明显的转速误差。与图4不同，如图5所示，本发明方法由于可以进行角度的自适应补偿，在低速带负载运行时，仍然可以实现较准确的转速观测和控制，在5.5s负载增大到21Nm时，本发明观测的转速和实际转速仍然几乎重合，转速估计误差很小，验证了本发明所提方法的可行性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤一、利用电流传感器采集异步电机的三相交流电流i_a、i_b、i_c，并将电流i_a、i_b、i_c变换到αβ坐标系，得到异步电机电流i_α、i_β；

步骤二、根据异步电机电流闭环矢量控制算法得到电机在αβ坐标系上的电压u_α、u_β；

步骤三、根据异步电机电压模型定子磁链观测方法观测异步电机电压模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαv、ψ_sβv；

步骤四、根据步骤一得到的异步电机电流i_α、i_β，计算在同步旋转dq坐标系上的励磁电流i_sd；

步骤五、根据步骤四得到的励磁电流i_sd，计算转子磁链在d轴上的分量ψ_rd；

步骤六、根据步骤五得到的转子磁链分量ψ_rd，计算转子磁链在αβ坐标系上的异步电机转子磁链ψ_rα、ψ_rβ；

步骤七、根据步骤一得到的异步电机电流i_α、i_β和步骤六得到的异步电机转子磁链ψ_rα、ψ_rβ，计算异步电机电流模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαi、ψ_sβi；

步骤八、根据步骤三得到的异步电机电压模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαv、ψ_sβv和步骤七得到的异步电机电流模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαi、ψ_sβi，计算补偿的电压误差△e_α、△e_β；

步骤九、根据步骤三得到的异步电机电压模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαv、ψ_sβv，计算异步电机转子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_rαvi、ψ_rβvi；

步骤十、根据步骤九得到的异步电机转子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_rαvi、ψ_rβvi，通过锁相环得到异步电机转子磁链的角度θ_r0和角频率ω_e；

步骤十一、根据步骤十得到的异步电机转子磁链的角度θ_r0和角频率ω_e，进行自适应角度补偿，得到补偿后的异步电机转子磁链角度θ_r；满足：

θ_r＝θ_r0+kω_eT_si_sqref；

式中，k为待设计的参数，T_s为离散系统的控制周期，i_sqref为异步电机的转矩电流参考值；

步骤十二、根据步骤十得到的转子磁链角频率ω_e，计算估计的异步电机转速

步骤十三、将步骤十一得到的补偿后的异步电机转子磁链角度θ_r和步骤十二估计的异步电机输入异步电机无速度传感器控制系统，输出的六路PWM信号传输至基于IGBT的变频器主回路，驱动IGBT导通或关断，从而实现异步电机的无速度传感器控制。

2.根据权利要求1所述的基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述异步电机电流i_α、i_β的计算方法为：

3.根据权利要求2所述的基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述异步电机电压模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαv、ψ_sβv的计算方法为：

式中，s表示拉普拉斯算子，R_s为异步电机的定子电阻，△e_α、△e_β为补偿的电压误差。

4.根据权利要求1所述的基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述励磁电流i_sd的计算方法为：

i_sd＝i_αcosθ_r+i_βsinθ_r；

式中，θ_r为补偿后的异步电机转子磁链角度。

5.根据权利要求4所述的基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述转子磁链在d轴上的分量ψ_rd的计算方法为：

ψ_rd＝L_mi_sd；

式中，L_m为异步电机的互感。

6.根据权利要求5所述的基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述转子磁链在αβ坐标系上的异步电机转子磁链ψ_rα、ψ_rβ的计算方法为：

7.根据权利要求5所述的基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述异步电机电流模型定子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_sαi、ψ_sβi的计算方法为：

式中，L_r为异步电机的转子电感，L_s为异步电机的定子电感，σ为漏感系数，满足

8.根据权利要求3所述的基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述补偿的电压误差△e_α、△e_β的计算方法为：

式中，k_p为比例系数，k_i为积分系数。

9.根据权利要求7所述的基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述异步电机转子磁链在αβ坐标系上的两个分量ψ_rαvi、ψ_rβvi的计算方法为：

10.根据权利要求7所述的基于带补偿磁链观测器的异步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述估计的异步电机转速的计算方法为：

式中，R_r为异步电机的转子电阻，i_sdref为异步电机的励磁电流参考值。