一种无轴承异步电机转子磁链观测与转速辨识的方法

摘要

本发明公开了一种无轴承异步电机转子磁链观测与转速辨识的方法，提供一种基于POPOV超稳定性的无轴承异步电机转速检测系统及方法，以解决目前的无轴承异步电机转速辨识不精确的问题。根据实测的定子电压、电流信号通过改进的二阶广义频率自适应积分器构成的磁链观测器得到转子磁链电压模型观测值，以观测到的转子磁链作为参考值，由转子磁链电流模型求得转子磁链作为可调值，构成基于转子磁链的模型参考自适应系统(MRAS)。通过合适的自适应律准确辨识出无轴承异步电机实时转速。

说明书

技术领域

本发明是一种无轴承异步电机的转速辨识方法。为无轴承异步电机的无速度运行提供了一种新的策略，适用于无轴承异步电机的无速度传感器矢量控制方案，属于电力传动控制设备的技术领域。

背景技术

目前,三相异步电机的控制方式已趋成熟,矢量控制和直接转矩控制能满足大部分工況需求。无论哪种控制方式,转速都是一个非常重要的控制量。但速度传感器在某些情况下安装困难,或是有时为了节省这部分成本,人们希望只根据变频器上易测得的相电流、相电压数据,实时辨识转速,实现无速度传感器控制。

无轴承异步电机无速度传感器原理可以分为两种类型:一类要求转子具有不对称性,如转子槽谐波法、高频注入法,这类方法需要对信号的频谱进行分析,程序费时费力,高速时对硬件要求很严格。另一类方法是基于无轴承异步电机的数学模型,用某种数学方法辨识其中的转速,如基于状态观测器的方法,涉及人工智能的方法,以及基于模型参考白适应原理(MRAS)的方法。

如今,科研工作者已经研发出很多基于无轴承异步电机数学模型的无速度传感器算法。属于状态观测器范時的有:全阶状态观测器与降阶状态观测器,扩展卡尔曼滤波器(EKF),以及滑模观测器(SMO)。状态观测器法对电机参数变化敏感,为了満足全局稳定使得算法复杂,EKF计算复杂,大量随机参数要调试得到；SMO鲁棒性较强,但固有的抖动对电机低速运行有害。涉及人工智能的方法一直是本行业的研究热点之一,只是受限于硬件,离实用化还有一定距离。

传统MRAS的物理意义明确,算法较简单,稳态精度比较好,但抓转子磁链电压模型含有纯积分环节，其积分初值和累计误差会影响磁链观测精度和转速估计精度。随着对MRAS算法的深入研究,人们发现选择不同的参考模型和可调模型,可以演化出不同结构的MRAS辨识算法,如基于转子磁链、基于反电势、基于瞬时无功功率等。此外,在MRAS结构下应用滑模原理、模湖控制原理等,可以演化出很多不同的结构,研究改进的余地很大。

发明内容

为了解决上述技术同题。本发明提供一种基于POPOV超稳定性的无轴承异步电机转速检测系统及方法，以解决目前的无轴承异步电机转速辨识不精确的问题,能够在线观测无轴承异步电机的转子磁链和辨识转速。该方法对电机本体参数变化不敏感,而对干扰有较强的鲁棒性。

这种无轴承异步电机转子磁链观测与转速辨识的方法,根据实测的定子电压、电流信号通过改进的二阶广义积分频率自适应器构成的磁链观测器得到转子磁链电压模型观测值，以观测到的转子磁链作为参考值，由转子磁链电流模型求得转子磁链作为可调值，构成基于转子磁链的模型参考自适应系统(MRAS)。通过合适的自适应律辨识无轴承异步电机转速，得到准确的实时转速值。

本发明的技术方案为：一种无轴承异步电机转子磁链观测与转速辨识的方法，包括以下步骤：

步骤1，由传感器测得三相异步电机的各相电流与电压,输入3相/2相静止坐标变換模块,得到定子电流is的分量i_sα和i_sβ,定子电压us的分量u_sα和u_sβ；

步骤2，根据实时测得的无轴承异步电机的定子电压us、定子电流is,通过改进的二阶广义积分频率自适应积分器构成磁链观测器得到转子磁链改进电压模型观测值，以观测到的电压型转子磁链作为参考值，以观测到的转子磁链电流模型求得转子磁链作为可调值，构成基于转子磁链的模型参考自适应系统；通过合适的自适应律准确辨识出无轴承异步电机实时转速。

进一步,由改进的二阶广义积分频率自适应积分器构成的磁链观测器，观测到的转子磁链电压模型ψ_r如下：

其中ψ_rα和ψ_rβ为通过改进的二阶广义频率自适应积分器得到的转子磁链ψ_r分量，u_sα和u_sβ为定子电压u_s分量，i_sα和i_sβ为定子电流分量，R_s为定子电阻，G(s)为改进的二阶广义积分频率自适应积分器中二阶积分器传递函数，P为幅值补偿和相位补偿值，σ＝1-L_m²/L_sL_r，L_m为励磁电感稳态值，L_s和L_r分别为定子、转子电感。

进一步,所述的转子磁链电流模型作为可调模型，通过合适的自适应率辨识无轴承异步电机转速的过程如下：

首先，构建基于转子磁链电流模型的观测器，

其中和为转子磁链ψ_r分量，T_r＝L_m/R_r，为转子电磁时间常数，p为微分算子，是辨识得到的异步电机转速；

其次，将改进的二阶广义频率自适应积分器构成的磁链观测器得到转子磁链改进电压模型观测值ψ_rα和ψ_rβ作为参考值，和作为可调值，根据模型参考自适应法，自适应误差值按下式求得：

最后根据POPOV超稳定性原理设计合适的转速自适应率，用PI控制器等效，因此PI控制器输出的值即为测定的实时转速:

K_p，K_i为PI调节器的参数。

本发明的有益效果在于,采用了改进的二阶广义频率自适应积分器构成的磁链观测器。根据实测的定子电压、电流信号通过改进的二阶广义频率自适应积分器构成的磁链观测器得到转子磁链改进电压模型观测值，以观测到的转子磁链作为参考值，由转子磁链电流模型求得转子磁链作为可调值，构成基于转子磁链的模型参考自适应系统(MRAS)。通过合适的自适应律辨识无轴承异步电机转速，能有效解决电压模型中纯积分带来的积分初值和累计误差问题，改善低速情况下电机转速的辨识精度，得到准确的实时转速值。

附图说明

图1是矢量控制示意图。

图2是改进二阶广义积分频率自适应积分器示意图。

图3是改进转子磁链电压模型示意图。

图4是转速辨识示意图。

图5是基于转子磁链的模型参考自适应系统。

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。

参见图1的强电部分,三相交流电源经过不控整流得到直流母线电压u_dc,供给电压源型逆变器,再得到供给无轴承异步电机的三相电源。弱电部分,釆用矢量控制方式,包含电压、电流传感器,3相/2相静止坐标变換模块,2相静止/2相同步速坐标变换模块,新型观测器模块,普通观测器模块，转速推算模块,调控模块，速度环PI控制器模块,电流环PI控制器模块,2相同步速/2相静止坐标变換模块,电压空间矢量脉宽调制模块。

本发明主要涉及新型观测器模块,其他模块为无轴承异步电机矢量控制所需的功能性模块,为本领域公知常识。

下面描述整个系统的工作流程,以介绍各模块的连接关系。

1、由传感器测得三相异步电机的各相电流与电压,输入3相/2相静止坐标变換模块,得到定子电流is的分量i_sα和i_sβ,定子电压us的分量u_sα和u_sβ。

2、利用定子电压、电流信号,通过本发明的新型观测器,得到辨识转速n同步速角度θ。新型观测器包含:(a)改进的二阶广义积分频率自适应器构成的磁链观测器模块,(b)转子磁链空间位置角θ计算模块,(c)转子磁链电流模型模块,(d)误差值计算模块,(e)转速自适应模块。具体的细节如图2所示。

下面具体介绍新型观测器的构建过程：

3、根据所述的无轴承异步电机转子磁链观测与转速辨识方法，由所述的改进的二阶广义频率自适应积分器构成的磁链观测器，观测到的转子磁链电压模型ψ_r如下：

其中ψ_rα和ψ_rβ为通过改进积分器得到的转子磁链ψ_r分量。u_sα和u_sβ为定子电压u_s分量，i_sα和i_sβ为定子电流分量，R_s为定子电阻，G(s)为改进二阶积分器传递函数，P为幅值补偿和相位补偿值，σ＝1-L_m²/L_sL_r，L_m为励磁电感稳态值，L_s和L_r分别为定子、转子电感。上式的实现过程中有二点值得说明：

(1)、上式中包含纯积分环节。纯积分环节受积分初值和累计误差影响,导致磁链观测不准。为解决这一问题,用改进的二阶广义频率自适应积分器来代替纯积分器,并加以适当的幅值和相位补偿。

改进二阶广义积分频率自适应器中二阶积分传递函数：

幅值和相位补偿：

(2)、上式中电流项加一个低通滤波器，除了能滤除谐波噪音，还能让电流项和改进积分环节后定子磁链相位一致，得到更精确转子磁链。截止频率为同步频率30％。

4、由上述观测器得到的转子磁链,在静止坐标系下表示为ψ_rα和ψ_rβ，作为模型参考自适应法的参考值。

5、将转子磁链电流模型作为可调模型,通过自适应律来辨识异步电机转速的过程如下。首先,构建基于转子磁链电流模型的观测器:

其中和为转子磁链ψ_r分量，T_r＝L_m/R_r，为转子电磁时间常数，p为微分算子，是辨识得到的无轴承异步电机转速；

其次误差值计算模块的构建，将通过改进的二阶广义频率自适应积分器测器得到的转子磁链电压模型观测值ψ_rα和ψ_rβ作为参考值，和作为可调值，根据模型参考自适应法，自适应误差值按下式求得：

6、转速自适应模块的构建：根据POPOV超稳定性原理设计合适的转速自适应率，用PI控制器等效，因此PI控制器输出的值即为测定的实时转速。

K_p，K_i为PI调节器的参数。

7、将静止坐标系下的量,以及由观测器得到的转子磁链空间位置角θ,输入2相静止/2相同步速坐标变換模块,得到同步速坐标系下的定子电流is的分量i_sd和i_sq。

8、转子磁链调节器APSI:外部指定ψ^*作为转速给定值，以电机端测量的三相电流和反馈角速度计算得到空间位置角θ,计算得到的转子磁链ψ_r为反馈值，由转子磁链调节器APSI模块输出定子电流d轴分量给定值i_sd。

9、速度调节器ASR:外部指定n*作为转速给定值,将辨识结果n作为反馈值,通过速度调节器ASR模块输出转矩给定值T_e。

10、转矩调节器ATR：以速度调节器ASR输出的给定转矩T_e为给定值，以电机端测量电流电压及空间位置角θ计算得到的转矩为反馈值，由输出转矩调节器ATR模块定子电流q轴分量给定值i_sq。

11、逆变器控制信号产生:将上述求得的定子电流给定值i_sd和i_sq及转子磁链空间位置角θ,输入2相同步速/3相静止坐标变換模块,得到定子电流在静止坐标系下的分量i_abc^*，i_abc^*分量和电机端测量的i_abc分量经电流滞环空间矢量脉宽调制模块计算得到逆变器所需要的触发脉冲输给逆变器,即可控制供给三相电机的各相电压。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。