一种交流异步电机矢量控制系统模型参数在线修正方法
【专利摘要】本发明公开了一种交流异步电机矢量控制系统模型参数在线修正方法，在负载恒定时控制电机速度，使电机速度保持恒定来消除转子磁链耦合项对参数动态在线辨识的影响。本发明能满足电机参数动态在线辨识的高精确度和实时性的要求。
【专利说明】 一种交流异步电机矢量控制系统模型参数在线修正方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及变频调速【技术领域】，特别是一种交流异步电机矢量控制系统模型参数在线修正方法。
【背景技术】
[0002]基于转子磁场定向的异步电机矢量控制系统很多环节都涉及到电机参数的使用，如磁通计算、转矩计算、磁通角度计算以及d轴励磁分量和q轴转矩分量的解耦计算等。因此电机参数辨识的准确程度决定了矢量控制的精度和效果。实时准确地更新交流异步电机矢量控制系统模型参数，是实现高性能矢量控制变频调速技术的前提。
[0003]目前电机参数离线辨识方法在理论和实践应用中均比较成熟，且能达到较高的电机参数辨识精度。但是电机参数在电机运行过程中会受到温升等因素的影响而发生变化，如果在运行过程中无法做到参数实时更新，则会对矢量控制效果造成很大的影响，因此在电机运行过程中对电机参数进行在线辨识非常有必要。
[0004]当前的电机参数在线辨识算法要不是实现复杂，会占用大量的CPU资源，实时性无法保证，就是稳定性差，容易受噪声干扰等因素影响，或者要保证有良好给定初值条件下，才能获得良好的辨识精度。在众多的电机参数识别算法当中，递推最小二乘算法由于计算量小，不需要大矩阵求逆，计算和收敛速度较快，在工程实际中被广泛采用。但该算法目前仅在电机参数离线辨识中得到了成功的应用，而对于参数在线辨识，由于无法消除电机变换的转速以及磁链耦合的影响，在电机数学模型未得到简化的情况下，无法应用递推最小二乘对电机参数进行递推运算。现有在线参数辨识方法中也有利用递推最小二乘算法对电机参数进行在线辨识计算，但却是完全基于一种假设的前提下进行的，即假设电机转速恒定，因此也仅限于仿真研究，无法在实践中应用。
[0005]矢量控制是当前工业系统变频调速应用的主流，它在分析交流异步电机的数学模型基础上，通过坐标变换和转子磁场定向，实现定子电流转矩分量与励磁分量的完全解耦，得到类似直流电机的动态数学模型，然后模拟直流电机进行控制，可获得良好的静、动态性能。其缺点是控制精度依赖于对定子电阻Rs、转子电阻1、定子电感Ls、转子电感Lp互感Lm等多个电机参数的准确识别，尤其是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精度受转子时间常数= 的影响较大，由于转子时间常数τ J主要是转子电阻)受温度等因素影响较大，在电机整个运行过程中变化可达150%，必须实时在线检测。因此电机参数的正确辨识是矢量控制系统实现高性能电机调速的前提。传统离线电机参数检测的方法有空载和堵转实验，但往往受到现场条件的限制而无法实施。一些智能控制算法如粒子群算法、蚁群算法、遗传算法、神经网络等用于电机参数的离线检测具有较好的精度，但是计算量很大，收敛速度慢不适合参数在线计算。递推最小二乘法对参数敏感性好，计算和收敛速度快，可同步一次性辨识出全部参数，且通用性强。但是多数研究为了简化计算过程，将数学模型建立在电机是静止不动的基础上，因此只能用于电机参数离线静态辨识。因此如何进一步简化电机参数动态在线辨识的计算模型，提高计算速度和精度对于加快电机参数在线检测算法进入实际应用，提高电机矢量控制的性能至关重要。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种交流异步电机矢量控制系统模型参数在线修正方法，满足电机参数在线辨识的实时性和高精确度要求。
[0007]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种交流异步电机矢量控制系统模型参数在线修正方法，包括以下步骤:
[0008]I)通过电机参数静态辨识方法获得准确的电机初始参数:定子电阻Rs、转子电阻艮、定子电感Ls、转子电感L和互感Lm(定子与转子间互感)；
[0009]2)将上述电机初始参数作为矢量控制系统模型的参数，用于控制电机带动负载运行；
[0010]3)在负载恒定时，如果转速控制波动在原来的基础上增加一倍以上，对转子磁通进行恒定控制；
[0011]4)在转子磁通恒定时，将闭环给定的参考转矩电流ζ切换为恒定参考转矩电流ζ，使输出电磁转矩保持恒定；
[0012]5)控制电机转速，当电机转速恒定时，对电机初始参数进行在线辨识计算，得到最新的电机参数；
[0013]6)利用最新的电机参数更新矢量控制系统模型中参与计算的电机初始参数，同时将恒定参考转矩电流?切换为参考转矩电流4，并撤销对转子磁通的恒定控制。
[0014]所述步骤5)中，所述步骤5)中，对电机三相电压ua、ub、u。和三相电流ia、ib、ic进行采样，经过坐标变换，分别转化为两相静止坐标系下的励磁和转矩分量usd、us(1和isd、isq，并将usd、Usq和isd、isq作为输入，对电机参数进行递推最小二乘计算。
[0015]与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为:本发明的方法是在电机负载恒定时进行的，在负载恒定时控制电机速度使其保持恒定来消除转子磁链耦合项对参数动态在线辨识的影响，大大提高了电机参数动态在线辨识的精确度和实时性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明一实施例交流异步电机矢量控制系统模型框图；
[0017]图2为本发明一实施例磁通估计模型框图；
[0018]图3为本发明一实施例电机参数动态在线辨识转子磁通实验波形图；
[0019]图4为本发明一实施例电机参数动态在线辨识电机转速实验波形图；
[0020]图5为本发明一实施例电机参数动态在线辨识转子电阻实验波形图。
【具体实施方式】
[0021]如图1所示，本发明一实施例电机参数动态在线辨识模块实时采集电压、电流及电机转速信号利用递推最小二乘法进行电机参数计算，系统中包含了一个磁通环，形成对转子磁通的闭环恒定控制。
[0022]图2为磁通估计模型框图，只要利用d轴电压和电流信号即可完成转子磁通估计。
[0023]图3为电机参数动态在线辨识转子磁通实验波形，在进行动态辨识前设定转子电阻参考初值为Rs = 1.405 Ω，并让其在6.15秒时增加0.5 Ω，跳变至Rs = 1.905 Ω，并从该时刻开始将图1所示的开关K2通路切断，开关K3闭合，对转子磁通进行闭环控制，使其趋于恒定状态，在动态在线参数辨识结束后撤销对转子磁通的恒定控制(断开K3，闭合K2)。
[0024]图4为电机参数动态在线辨识电机转速实验波形，整个过程，对电机速度参考值进行两次调整，第一次从400r/min提至800r/min,第二次又从800r/min提至1200r/min,其实际转速在6.15秒和7.2秒之间产生波动，因为在该时间段转子电阻存在较大的辨识误差，所以影响了该时间段闭环矢量控制系统的性能，另外在电机参数辨识期间，由于要保持转速恒定，所以将如图1所示的参考转矩电流ζ切换为人为给定的参考转矩电流ζ，因而转速在7.0秒~8.0秒时间段内与参考转速间存在速度偏差。
[0025]图5为电机参数动态在线辨识转子电阻实验波形，由于在6.15至7.1秒之间转子磁链和电机转速还不稳定，因此在这一区间的转子电阻辨识结果波动较大。但随着转子磁通和速度变为恒定，转子电阻辨识结果渐渐收敛接近于参考值。对转子电阻在线辨识完成后，对控制系统模型参数进行更新，并切入速度内环控制，则如图4所示，在第二次电机提速时，由于控制系统模型参数准确，速度偏差及稳态纹波完全被消除，系统呈现出较为理想的速度闭环控制性能。
[0026]本发明的电机参数动态在线辨识方法具体包含以下步骤:
[0027]步骤一:通过电机参数静态辨识获得准确的电机初始参数:定子电阻&、转子电阻艮、定子电感Ls、转子电感L和互感Lm ；
[0028]步骤二:以获得的初始电机参数作为矢量控制系统模型的参数，用于控制电机带负载运行；
[0029]步骤三:在负载恒定时，如果转速控制波动在原来的基础上增加一倍以上(如原来为±1%，现在变为±2% )，说明电机参数发生了显著的变化，导致控制系统模型参数不准确，从而使系统控制性能下降，此时切入转子磁通Ψμ控制模块，对转子磁通进行恒定控制(将图1所示的开关Κ2通路切断，开关Κ3闭合，对转子磁通进行闭环控制，使其趋于恒定状态，通过PI调节器可以使Ψμ接近，而V是给定的一个常量，转子磁通即稳定)；
[0030]步骤四:在转子磁通恒定时，将闭环给定的参考转矩电流?切换为人为给定的恒定参考转矩电流ζ，恒定的磁通和转矩电流使得输出电磁转矩也保持恒定，在负载恒定时，转速也将保持恒定，但是此时转速与给定值之间会出现一定的偏差，但是这个转速偏差存在的时间很短(一次的参数在线辨识计算时间)，对控制系统整体影响不大；
[0031]步骤五:当控制转速使其达到恒定时，启动电机参数动态在线辨识模块，对电机参数进行在线辨识计算；
[0032]步骤六:在电机参数动态在线辨识结束后，将最新获得的电机参数用于更新矢量控制系统各模块中参与计算的电机参数，同时换回闭环给定的参考转矩电流，并撤销对转子磁通Ψ μ的恒定控制。
[0033]具体原理推导如下:
[0034]感应异步电机的动态数学模型如下式所示:
【权利要求】
1.一种交流异步电机矢量控制系统模型参数在线修正方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)通过电机参数静态辨识方法获得准确的电机初始参数:定子电阻&、转子电阻艮、定子电感Ls、转子电感L和互感Lm ； 2)将上述电机初始参数作为矢量控制系统模型的参数，用于控制电机带动负载运行； 3)在负载恒定时，如果转速控制波动在原来的基础上增加一倍以上，对转子磁通进行恒定控制； 4)在转子磁通恒定时，将闭环给定的参考转矩电流?切换为恒定参考转矩电流ζ，使输出电磁转矩保持恒定； 5)控制电机转速，当电机转速恒定时，对电机初始参数进行在线辨识计算，得到最新的电机参数； 6)利用最新的电机参数更新矢量控制系统模型中参与计算的电机初始参数，同时将恒定参考转矩电流ζ切换为参考转矩电流&，并撤销对转子磁通的恒定控制。
2.根据权利要求1所述的交流异步电机矢量控制系统模型参数在线修正方法，其特征在于，所述步骤5)中，在线辨识计算是指对电机三相电压ua、ub> U。和三相电流ia、ib、ic进行采样，经过坐标变换，分别转化为两相静止坐标系下的励磁和转矩分量usd、us(1和isd、isq，并将usd、Usq和isd、i sq作为输入，对电机参数进行递推最小二乘计算。
【文档编号】H02P21/14GK103944481SQ201410174726
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】谭冠政, 谭冠军, 范必双, 刘振焘, 邓泽林 申请人:中南大学