一种感应电机的转动惯量瞬态辨识方法与流程

本发明涉及电机控制领域，特别是一种感应电机的转动惯量瞬态辨识方法，所述方法用于无速度传感器运行情况下的感应电机矢量控制。

背景技术：

目前工业领域广泛应用无速度传感器运行的感应电机，以避免安装机械转速传感器所需的购置成本、维护成本并节省安装空间。当前无速度传感器运行模式下的感应电机作高性能控制的难点是在电机加减速的瞬态运行状况下如何对转动惯量、定转子电阻等电机参数做出实时辨识。现有的一些无速度传感器算法虽然能在电机稳态运行时做出较为准确的转速估计，但在电机瞬态过程中计算的误差很大，难以胜任对控制性能要求较高的应用场合。

感应电机的转动惯量作为电机控制中的已知参数可以通过离线测试的方法获得，所述测量结果本身存在一定误差。在有速度传感器系统中，可以基于机械式速度传感器测量得到较为准确的转速信息，进而实现转动惯量的辨识。但是在无速度传感器运行系统中，一般速度估计算法获得的转速虽然具有较好的稳态估计精度，但瞬态的准确度较低，采用同样的思路不能实现转动惯量的辨识。另一方面，只有先实现足够精确的转动惯量辨识，将辨识结果提供给目前已有的含有电机运动方程的非线性转速估计方法(如基于滑模理论的方法)，才能实现瞬态过程的转速准确估计。目前已有辨识方案基于最小二乘法、扩展卡尔曼滤波器等原理，将转速、转动惯量和其他一些电机参数进行同时辨识，计算量过大，导致控制响应速度相对较慢，不能满足瞬态转速准确估计的要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有辨识方法计算量过大不能满足瞬态转速准确估算要求的问题，本发明提供一种感应电机的转动惯量瞬态辨识方法，所述辨识方法能在无机械式速度传感器的前提下用于感应电机瞬态过程，根据感应电机的定子电压、电流信号来计算磁链、转速、转矩，构建转动惯量的自适应。

本发明解决技术问题采用的技术方案：一种感应电机的转动惯量瞬态辨识方法，包括依序进行的以下步骤：

(1)检测三相定子电压、电流并分别记为矢量us和is；

(2)根据γ型等效电路计算定子磁链、转子磁链：

ψr＝ψs-lσis

所述rs为定子电阻，lσ为漏感，p为积分算子；

(3)计算电磁转矩

所述npp是感应电机的相数，j为以下矩阵

(4)计算转速

所述rr为转子电阻；

(5)对计算出转速信号进行滤波

所述τ1为滤波时间常数；

(6)计算负载转矩

所述τ2为滤波时间常数，js0为转动惯量初始给定值；

(7)构建转动惯量的自适应辨识

所述τp转速给定变化的周期，使

q1计算如下

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采用如下技术措施：所述步骤(2)中转子磁链计算，通过带幅值和相位补偿的一阶低通滤波器代替纯积分环节。

本发明的有益效果：(1)从瞬态转矩信号中提取转动惯量的信息，能在感应电机瞬态过程中工作；(2)不需机械式速度传感器就可以实现转动惯量的瞬态辨识，从而进一步提升无速度传感器运行的动态性能；(3)计算步骤简单，整个计算过程的运算量较小。

附图说明

图1：感应电机的矢量控制系统示意图。

图2：感应电机无速度传感器运行系统的转动惯量瞬态辨识方法示意图。

图3：间接磁场定向控制转子磁链同步角计算示意图。

图4：带补偿的一阶低通滤波转子磁链观测器示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

以一台4kw的感应电机为例，具体参数见表1，表1为感应电机参数。

采用间接磁场定向矢量控制方式，包含电压、电流传感器，间接磁场定向控制器，本发明提出的辨识方法实现模块，电压正弦脉宽调制模块见图1所示。本发明主要涉及转动惯量辨识和速度估计，具体结构见图2所示；其它模块为感应电机矢量控制所需的功能性模块，均为本领域现有技术和公知常识。

下面描述全系统的工作流程，以介绍各模块的连接关系。

如图1～4所示，一种感应电机的转动惯量瞬态辨识方法，包括依序进行的以下步骤：

(1)由传感器测得三相异步电机的各相电流与电压，检测得到三相定子电压矢量us和电流矢量is；

(2)基于定子电压矢量us、电流矢量is，根据γ型等效电路计算定子磁链、转子磁链：

ψr＝ψs-lσis

所述rs为定子电阻，lσ为漏感，p为积分算子；

上式中存在纯积分环节，在实际系统中由于纯积分环节对直流偏置和误差没有抑制作用，会导致误差累积。为此使用幅值和相位补偿的一阶低通滤波器代替纯积分环节，具体实现参见图3；一阶低通滤波器的截止频率ωc根据电机运行状况给定，系统刚开始运行时，将截止频率ωc设为一个合适的值(如30rad/s)；待空间位置角稳定后，ωc由同步角速度ω1乘以补偿增益系数k(取3)得到。同步角速度ω1的计算方法见步骤7；

(3)基于定子电流is和转子磁链ψr计算电磁转矩

所述npp是感应电机的相数，j为以下矩阵

(4)计算转速

所述rr为转子电阻；

(5)对计算出转速信号进行滤波

所述τ1为滤波时间常数，本实施例中取值为0.2s；

(6)计算负载转矩

所述τ2为滤波时间常数，本实例取0.032s；js0为电机带负载后转动惯量的初始给定值，本实施例中取值为0.015kg·m²；

(7)构建转动惯量的自适应辨识

所述τp转速给定变化的周期，使本实施例在运行转动惯量辨识程序时，转速给定上叠加一个变化周期为2s，变化量为20r/min的阶梯波，即τp取2s；q1计算如下

微处理器实现中将q1进行离散化：

其中ts表示微处理器的运行周期，k表示某一次运算。

根据给定的t轴定子电流和给定m轴定子电流计算滑差：

将转差ωs与无速度算法获得的转速计算值相加，得到同步角频率ω1，再对ω1积分得到转子磁链给定角度θ1，用于感应电机的间接磁场定向矢量控制，具体实施方式见图4。

此外，步骤4计算得到的转速能保证电机稳态情况下的准确性，将该转速作为矢量控制的依据时动态控制性能并不突出，还需将辨识得到的转动惯量参数提供给目前已有的含有电机运动方程的非线性转速估计方法，以实现瞬态过程的转速准确估计。