基于转子磁链观测器的异步电机参数在线矫正方法与流程

本发明涉及一种异步电机参数在线矫正方法，具体地说是异步电机转子电阻和励磁电感的在线矫正方法。

背景技术：

异步电机是一类高阶多变量非线性强耦合系统，矢量控制的应用使其获得了直流电机调速性能。间接矢量控制通过转速和转差频率的加和获得同步速度，进而获得磁链定向角。该矢量控制算法简单，易于工程实现，且具有较好的稳定型，因此是应用较为广泛的一种矢量控制方案。转差频率计算的准确性，完全取决于转子时间常数的准确性，而该参数受温度、磁饱和、涡流等因素的影响通常偏离其标称值，制约着矢量定向的准确和间接矢量控制系统的性能。另外，在电动汽车驱动系统中，通常需要对整车控制系统下发的转矩指令进行跟踪，使得系统控制精度对参数变化更为敏感。当系统控制用转子电阻、励磁电感等参数偏离其真实值时，转子磁场定向将会失准，系统的稳态控制精度和动态响应能力都将下降。

为提升矢量控制性能，关键在于转子电阻和励磁电感的准确辨识。为此，人们做出了各种努力，如题为“一种基于无功功率的异步电机矢量控制转子磁场准确定向方法”，陆海峰，瞿文龙，张磊，等，中国电机工程学报,2005年第25卷第6期116-120页的文章,和题为“基于转子磁链q轴分量的异步电机间接矢量控制转差频率校正”，樊扬,瞿文龙,陆海峰,等，中国电机工程学报,2009年第29卷第9期62-66页的文章；这两篇文章分别提出了基于无功功率和转子磁链交轴分量的磁链定向在线校正方案，前者利用无功功率的偏差对转子时间常数进行在线校正，后者则利用转子磁链交轴分量实现校正，但这两种矫正算法都受励磁电感影响。

题为“一种利用转矩观测矫正异步电机转子磁场定向的方法”，燕俊峰,王晓琳,廖启新，中国电机工程学报2015年第35卷第7期4517-4523页的文章；该文利用转矩模型参考自适应对转差频率进行校正，但该方案受负载的影响较大。

题为“基于参数在线校正的电动汽车异步电机间接矢量控制”，张杰,柴建云,孙旭东,等，电工技术学报2014第29卷第7期90-96页的文章；该文通过电压的稳态模型获得磁链，并基于此设计了励磁电感和转子时间常数在线校正方案，虽然克服了磁链获得的积分问题，但其校正方案的暂态性能受到磁链计算的影响。

综上所述，现有技术均未能较好的实现参数及定向的在线矫正。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服上述各种参数矫正的局限性，针对电机运行过程中转子电阻及励磁电感的偏差，提供一种较为准确的参数同时矫正的方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：基于异步电机定子电压、定子电流及电角速度的采集，特别是主要步骤如下：

步骤1，采集异步电机在静止坐标系αβ下的定子电压向量V、定子电流向量i和转子电角速度ω_r；

步骤2，建立在静止坐标系αβ下异步电机状态空间表达式为：

在公式(1)中，e为反电动势向量，为e的微分，为转子磁链向量，为的微分，ω_s为转子磁链电角速度，L_m为励磁电感，L_r为转子电感，L_s为定子电感，α_r＝R_r/L_r，ε＝δL_sL_r/L_m，其中R_r为转子电阻，R_s为定子电阻，为反对称矩阵；

步骤3，根据公式(2)建立转子磁链滑模观测器，对转子磁链向量进行观测：

在公式(2)中，为反电动势向量e的观测值，为的微分，为转子磁链向量观测值，为的微分，为反电动势误差，为系统中给定励磁电感，为系统中给定转子电感，为系统中给定定子电感，其中为系统中给定转子电阻，为系统中给定定子电阻，k为设定的观测器增益一，g为设定的观测器增益二，k和g的数值均为负数；

步骤4，根据步骤1中得到定子电压向量V、定子电流向量i、和转子电角速度ω_r，经过电流磁链模型计算获得转子磁链矢量计算值

步骤5，根据步骤3中获得的转子磁链向量观测值和步骤4中获得的转子磁链矢量计算值经过叉乘获得相位差正弦量sin(Δθ)，其中为转子磁链矢量计算值的相位，θ为转子磁链向量观测值的相位；

步骤6，根据步骤3中获得的转子磁链向量观测值和步骤4中获得的转子磁链矢量计算值两者幅值作差获得幅值差

步骤7，利用步骤5中获得的相位差正弦量sin(Δθ)矫正系统中给定转子电阻同时，利用步骤6中获得的幅值差矫正系统中给定励磁电感

优选的，步骤1中所述的异步电机在静止坐标系αβ下的定子电压向量V的采集方式包括以下两种：

第一种，采样得到实时异步电机线电压U_ab、U_cb，经过公式(3)的坐标变换获得定子电压向量V；

第二种，直接采用电机控制器运算单元计算出逆变器调制信号V′代替定子电压向量V。

优选的，步骤1中所述的异步电机在静止坐标系αβ下的定子电流向量i的采集步骤如下：

1)采样得到实时异步电机三相定子电流i_A、i_B、i_C,

2)利用公式(4)的坐标变换获得异步电机在静止坐标系αβ下的定子电流向量i。

优选的，步骤1中所述的异步电机在静止坐标系αβ下的转子电角速度ω_r的采集步骤如下：

1)在一个预设采样周期T内采样安装在电机轴上的光电式旋转编码器发出的脉冲数N；

2)根据转子电角速度ω_r和光电式旋转编码器发出的脉冲数N以及预设采样周期T之间的关系计算出转子电角速度ω_r，其计算公式为：

在公式(5)中，M为光电式旋转编码器旋转一周所产生的脉冲数，P为异步电机极对数，T为预设采样周期。

优选的，步骤2中所述的反电动势e按如下步骤获得：

1)将异步电机的数学模型表示成如下形式：

在公式(6)中Γ＝L_r/L_m，λ＝L_rR_s/L_m，为定子电流向量i的微分；

将公式(6)中的反电动势e表示成如下形式：

根据公式(6)，将高阶电流滑模观测器设计成如下形式：

2)将公式(8)中的控制项U设计成如下形式：

U＝U_eq+U_n (9)

在公式(9)中，其中，为电流观测误差；k_p为高阶滑模观测器的比例系数，且满足k_p＞0，；k_i为高阶滑模观测器的积分系数，且满足k_i＞0；

在公式(9)中，U_n设计成如下形式：

在公式(10)中，k′为高阶滑模观测器增益，为U_n的微分，s为非奇异终端滑模面，

γ＝diag(γ_αγ_β)，γ_α＞0，γ_β＞0；

p，q为奇数，且满足1＜p/q＜2,η₁₀＞0，η₁₁＞0；

3)当满足时，非奇异终端滑模观测器收敛，反电动势向量e由(11)获得，即：

e＝U (11)

优选的，步骤2中所述的异步电机状态空间表达式(1)按如下步骤获得：

1)将异步电机的数学模型表示成如下形式：

在公式(12)中Γ＝L_r/L_m，λ＝L_rR_s/L_m，为i的微分；

在公式(12)中，反电动势向量e按照下式计算：

令转子电角速度ω_r的微分则反电动势向量e的微分表示成如下形式：

在公式(14)中，转子磁链电角速度ω_s由反电动势e经过锁相环获得；

2)将异步电机数学模型式(12)中的第1行代入公式(14)以消除电流微分项则反电动势向量e的微分进一步表述成如下形式：

3)将公式(15)和公式(12)中第2行联合，构成异步电机状态空间表达式(1)。

优选的，步骤4中所述电流磁链模型为：

优选的，步骤5中所述相位差正弦量sin(Δθ)按如下公式获得：

优选的，步骤6中幅值差按如下公式获得：

优选的，步骤7中：当系统中给定转子电阻和系统中给定励磁电感分别相对于转子电阻R_r和励磁电感L_m产生偏差时，在系统中给定转子电阻中减去经过PI调节器的相位差正弦量sin(Δθ)，将其矫正回转子电阻R_r；在系统中给定励磁电感中减去经过PI调节器的幅值差将其矫正回励磁电感L_m。

相对于现有技术的有益效果是：

1.与基于无功功率和转子磁链q轴分量矫正转子时间常数方案相比，本发明不仅获得了准确的转子时间常数，且实现了励磁电感的在线辨识。

2.与利用转矩矫正方案相比，本发明在全转矩范围内均能实现较好的参数辨识，不存在轻载问题。

3.与通过稳态下磁链模型矫正方案相比，本发明通过转子磁链观测器设计，克服了磁链获得的积分问题的同时，不存在磁链暂态问题。

附图说明

图1为本发明中选取的静止坐标系。

图2为分发明中矫正原理结构框图。

图3(a)(b)为本发明中转子电阻变化50％同时励磁电感变化30％矫正效果仿真波形。

图4为本发明中转子电阻变化50％同时励磁电感变化30％矫正效果实验波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。

信号采集部分，定子电压向量V和定子电流向量i是通过采样定子线电压U_ab、定子线电压U_cb、定子A相电流i_A、定子B相电流i_B、定子C相电流i_C，并经过三相静止坐标系到两相静止坐标系变换获得，实际转子电角速度ω_r是利用光电式旋转编码器获得。本实施例按如下过程进行：

步骤1，采集异步电机在静止坐标系αβ下的定子电压向量V、定子电流向量i、和转子电角速度ω_r；

步骤2，建立在静止坐标系αβ下异步电机状态空间表达式为：

在公式(1)中，e为反电动势向量，为e的微分，为转子磁链向量，为的微分，ω_s为转子磁链电角速度，L_m为励磁电感，L_r为转子电感，L_s为定子电感，α_r＝R_r/L_r，ε＝δL_sL_r/L_m，其中R_r为转子电阻，R_s为定子电阻，为反对称矩阵；

步骤3，根据公式(2)建立转子磁链滑模观测器，对转子磁链向量进行观测：

在公式(2)中，为反电动势向量e的观测值，为的微分，为转子磁链向量观测值，为的微分，为反电动势误差，系统中给定励磁电感，为系统中给定转子电感，为系统中给定定子电感，其中为系统中给定转子电阻，为系统中给定定子电阻，k为设定的观测器增益一，g为设定的观测器增益二，k和g的数值均为负数；

步骤4，根据步骤1中得到定子电压向量V、定子电流向量i、和转子电角速度ω_r，经过电流磁链模型计算获得转子磁链矢量计算值

步骤5，根据步骤3中获得的转子磁链向量观测值和步骤4中获得的转子磁链矢量计算值经过叉乘获得相位差正弦量sin(Δθ)，其中为转子磁链矢量计算值的相位，θ为转子磁链向量观测值的相位；

步骤6，根据步骤3中获得的转子磁链向量观测值和步骤4中获得的转子磁链矢量计算值两者幅值作差获得幅值差

步骤7，利用步骤5中获得的相位差正弦量sin(Δθ)矫正系统中给定转子电阻同时，利用步骤6中获得的幅值差矫正系统中给定励磁电感

步骤1中所述的三个参数的采集按照以下步骤进行。

(一)定子电压向量V

定子电压向量V的采集方式包括以下两种：

第一种，采样得到实时异步电机线电压U_ab、U_cb，经过公式(3)的坐标变换获得定子电压向量V：

在过程中，首先利用霍尔电压传感器采样定子A、B两相之间的线电压和定子C、B两相之间的线电压，然后输入带有低通滤波器功能的采样调理电路，实现电压信号的采样，定子电压信号U_ab和U_cb；在数字信号处理芯片中通过编程对获得的定子电压信号U_ab和U_cb进行如式(3)所示的坐标变换，获得定子电压信号的所需形式定子电压向量V。

第二种，直接采用电机控制器运算单元计算出逆变器调制信号V′代替定子电压向量V。

(二)定子电流向量i

定子电流向量i的采集步骤如下：

1)，利用霍尔电流传感器采集定子A相电流i_A、定子B相电流i_B、定子C相电流i_C；

2)，然后将其采集的数据输入电流采样通道；在数字信号处理芯片中通过编程对获得的电流采样值i_A、i_B、i_C利用公式(4)的坐标变换获得异步电机在静止坐标系αβ下的定子电流向量i。

(三)转子电角速度ω_r

转子电角速度ω_r的采集步骤如下：

1)，在一个预设采样周期T内采样安装在电机轴上的光电式旋转编码器发出的脉冲数N；

2)，根据转子电角速度ω_r和光电式旋转编码器发出的脉冲数N以及预设采样周期T之间的关系计算出转子电角速度ω_r，其计算公式为：

在公式(5)中，M为光电式旋转编码器旋转一周所产生的脉冲数，P为异步电机极对数，T为预设采样周期。

步骤2中所述的反电动势e按如下步骤获得：

1)将异步电机的数学模型表示成如下形式：

在公式(6)中Γ＝L_r/L_m，λ＝L_rR_s/L_m，为定子电流向量i的微分；

将公式(6)中的反电动势e表示成如下形式：

根据公式(6)，将高阶电流滑模观测器设计成如下形式：

2)将公式(8)中的控制项U设计成如下形式：

U＝U_eq+U_n (9)

在公式(9)中，其中，为电流观测误差；k_p为高阶滑模观测器的比例系数，且满足k_p＞0，；k_i为高阶滑模观测器的积分系数，且满足k_i＞0；

在公式(9)中，U_n设计成如下形式：

在公式(10)中，k′为高阶滑模观测器增益，为U_n的微分，为非奇异终端滑模面，γ＝diag(γ_αγ_β)，γ_α＞0，γ_β＞0；p，q为奇数，且满足1＜p/q＜2,η₁₀＞0，η₁₁＞0；

3)当满足时，非奇异终端滑模观测器收敛，反电动势向量e由(11)获得，即：

e＝U (11)

步骤2所述的异步电机状态空间表达式(1)按如下步骤获得：

1)将异步电机的数学模型表示成如下形式：

在公式(12)中Γ＝L_r/L_m，λ＝L_rR_s/L_m，为i的微分，

在公式(12)中，反电动势向量e按照下式计算：

虑到转速等机械量的动态变化相比于定子电流和转子磁链等电气量的变化较慢，在电气时间常数范围内，令转子电角速度的微分则反电动势向量e的微分表示成如下形式：

在公式(14)中，转子磁链电角速度ω_s由反电动势e经过锁相环获得。

2)将异步电机数学模型式(12)中的第1行代入公式(14)以消除电流微分项则反电动势向量e的微分进一步表述成如下形式：

3)将公式(15)和公式(12)中第2行联合，构成异步电机状态空间表达式(1)。

步骤4中所述电流磁链模型为：

步骤5中所述相位差正弦量sin(Δθ)按如下公式获得：

步骤6中幅值差按如下公式获得：

转子电阻R_r和励磁电感L_m在线矫正方案原理框图如图2所示，其中为系统中给定转子电阻，为系统中给定励磁电感。当系统中给定转子电阻和系统中给定励磁电感分别相对于转子电阻R_r和励磁电感L_m产生偏差时。在系统中给定转子电阻中减去经过PI调节器的相位差正弦量sin(Δθ)，将其矫正回转子电阻R_r；在系统中给定励磁电感中减去经过PI调节器的幅值差将其矫正回励磁电感L_m。

图3-图4给出了本发明在转子电阻和励磁电感辨识过程中的性能表现。

仿真及实验电机参数：额定功率p_N＝15kW,额定电压U_N＝180V,转子电阻R_r＝0.0122Ω，定子电阻R_s＝0.027Ω，励磁电感L_m＝2.18mH，转子电感L_r＝2.271mH，定子电感L_s＝2.271mH，极对数P＝2,额定频率f_N＝120HZ。仿真中观测器参数的给定值为：k_p＝12，k_i＝5000，γ_α＝0.0001，γ_β＝0.0001，p＝13，q＝11，η₁₀＝10000，η₁₁＝10000；k′＝100000，k＝-200000，g＝-2。

仿真中给定电角速度20Hz，给定额定励磁电流82.3A，额定转矩电流77A。图3表明，当转子电阻和励磁电感在1s时同时发生变化，在1.5s时启用矫正，转子电阻和励磁电感能较快的矫正到真实值分别如图3(a)和图3(b)所示。在试验中为了更好地研究参数校正方案的性能，避免电机磁饱和因素的结果分析的影响，实验时对电机进行了弱磁运行，让电机工作在磁路的线性区域。给定电角速度20Hz，给定励磁电流35A，转矩电流35A，启用矫正后，转子电阻和励磁电感同样能矫正回真实值，如图4所示。