一种异步电机无速度传感器调速系统PI参数整定方法与流程

本发明属于异步电机变频调速的技术领域，具体涉及异步电机无速度传感器控制系统速度环pi参数的整定方法。

背景技术：

异步电机无速度传感器调速系统能降低调速系统的成本、拓展应用范围、减少系统维护的工作量，且提高了系统的可靠性、适应性，为国内外学术和工程界高度重视。异步电机无速度传感器调速技术发展迅速，相关产品应用广泛。异步电机无速度传感器调速系统采用全阶磁链观测器作为速度估算方法时，在稳态误差、动态性能、低速性能、参数敏感性和系统复杂度等方面有着相对优良的性能。因此，基于全阶磁链观测器的异步电机无速度传感器调速系统备受关注。

高性能的异步电机无速度传感器调速系统常用的控制方式是电流环—速度环pi控制，其中电流环为内环、速度环为外环。为实现速度的精确控制，需要获取准确的速度环pi参数。

目前速度环pi控制器参数的整定方法较多，如自适应pi控制器、模糊pi控制器、神经网络pi控制器等，但这类方法存在设计过程复杂、调试难度大等问题。工程中仍然较多地采用经典pi控制器。设计经典pi控制器时，pi参数常通过试凑、调试等方式获得，工作量大，且不易获得可行的pi参数。因此，研究高性能调速系统速度环pi参数的整定方法，具有重要意义。

整定pi控制器的参数时，需要确定速度反馈延时时间tω，对基于全阶磁链观测器的异步电机无速度传感器调速系统而言，tω主要取决于速度实际值转换为速度估算值的时间tsf，但是，tsf与异步电机的电机参数、反馈矩阵g和速度估算系统的pi参数相关，获取的难度大。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明公开了一种适用于异步电机无速度传感器调速系统的pi参数整定方法。

为了达到上述目的，相关的技术方案如下：一种异步电机无速度传感器调速系统pi参数整定方法，基于全阶磁链观测器辨识电机转速，包括以下步骤：步骤1，给定电机参数、全阶磁链观测器参数和速度环调节参数；步骤2，确定速度实际值转换为速度估算值的时间tsf；步骤3，确定速度环总延时时间tω=tsf+τc；步骤4，计算可得速度环pi控制器的比例系数ksp和积分系数ksi；步骤5，验证参数ksp和ksi的可行性，在确定tsf时，需通过等效的方法并计算转速估算系统的上升时间，如不满足速度环控制要求，则可适当调整转速自适应律的比例系数kp和积分系数ki，以及速度环带宽系数h，重新执行步骤2—步骤4，直至参数ksp和ksi满足要求。

进一步，所述的步骤1中所述的电机参数通过如下公式定义：

其中电机的主要参数除了铭牌参数之外，还包括定子电阻rs、转子电阻rr、励磁电感lm、定子电感ls、转子电感lr，以及折算到电机端的系统传动轴转动惯量j；

所述的全阶磁链观测器参数包含反馈矩阵g以及转速自适应律的比例系数kp和积分系数ki，转速自适应律的比例系数kp和积分系数ki的值则由转速估算系统稳定性约束条件确定；所述的反馈矩阵g可表示为

其中g1、g2、g3和g4是反馈矩阵的元素；

所述的速度环调节参数包括电流环阻尼比ξ和速度环带宽系数h，分别由电流环动态性能和速度环的综合性能要求确定。

进一步，所述的步骤2包含了以下具体步骤：

步骤21，计算辅助变量x，y，m和n，其中，x，y，m和n为电机参数、电机转速以及反馈矩阵g的函数；

步骤22，计算辅助变量p0，p1，p2和p3，计算方法可表示为：

其中，ωe为永磁电机同步转速，对于不同的全阶磁链观测器结构，计算函数的定义不相同；

步骤23，计算辅助传递函数g22(s)；

步骤24，计算速度实际值与估算值间的传递函数gs(s)；

步骤25，计算gs(s)的阶跃响应y；记录y=0.632时的时间值tx；由于gs(s)为高阶函数，难以采用解析方法计算速度实际值与估算值之间的时域关系，因此，可通过计算gs(s)的阶跃响应，并结合一阶滤波器的阶跃响应特性，估计出等效的延时时间，其中一阶滤波器的形式为：

其中ts1为滤波器系数，且其一阶响应可表示为：

即当t=ts1时，y=0.632。

步骤26，将tx赋值给tsf，即。

进一步，所述的步骤3中计算速度环总延时时间tω时，考虑到了电流环的延时时间τc。

进一步，所述的步骤4采用工程整定法计算速度环pi参数得到比例系数ksp和积分系数ksi。

本发明由于采用上述方案，使之与现有技术相比，具有以下优点：

1，本发明考虑了电机参数、全阶磁链观测器反馈矩阵、自适应律pi参数等多种因素，提高了计算结果的实用性；

2，本发明采用数值计算方法估算速度估算值和实际值的延时时间，计算的准确性高；

3，本发明基于工程整定法确定异步电机无速度传感器矢量控制系统速度环的pi参数，理论依据充分、应用成熟，具有较强的适应性；

4，本发明提供的异步电机无速度传感器调速系统的pi参数整定方法，可采用matlab程序包或者函数的方式进行计算，实现途径简便。

附图说明

图1是异步电机速度环传递函数模型；

图2是全阶观测器速度辨识值和实际值的传递函数gs(s)；

图3是计算速度环pi参数的基本流程；

图4是gs(s)的阶跃响应曲线（kp=3，ki=5）；

图5是gs(s)的阶跃响应曲线（kp=3，ki=3）；

图6是异步电机速度控制实测结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论。显然，这里所描述的仅仅是本发明的部分实例。

图1所示的无速度传感器调速系统速度环的传递函数模型中，ωr是给定角频率、ωm是实际角频率、ωf是反馈角频率、kt是转矩系数、tω是速度反馈延时时间、j为折算到电机侧的传动轴转动惯量。为了整定得到准确的速度环pi参数，必须研究估算tω的方法，并验证其可行性。

图2为无速度传感器调速系统速度实际值和估算值的传递函数模型，其中，为转子估算磁链、为转速估算值、ωr为转速实际值，pi环节为转速自适应律采用的pi控制器，其参数包括比例系数kp和积分系数ki，传递函数g22(s)则表征了转速偏差和转子磁链的关系。

图3描述了一种异步电机无速度传感器矢量控制系统的速度环pi参数整定方法的基本流程，包括以下步骤：

步骤1，给定电机、全阶磁链观测器参数和速度环调节参数。其中，异步电机的主要参数除了铭牌参数之外，还包括定子电阻rs、转子电阻rr、励磁电感lm、定子电感ls、转子电感lr，以及折算到电机端的系统传动轴转动惯量j；全阶磁链观测器的参数包含反馈矩阵g和转速自适应律的比例系数kp和积分系数ki；速度环调节参数包括电流环阻尼比ξ和速度环带宽系数h。

电机参数通过如下公式定义：

给定全阶磁链观测器参数。全阶磁链观测器的参数包含反馈矩阵g和转速自适应律的比例系数kp和积分系数ki。反馈矩阵g可表示为，

其中g1、g2、g3和g4是反馈矩阵的元素。转速自适应律的比例系数kp和积分系数ki的值则由转速估算系统稳定性约束条件确定。

步骤2：确定速度实际值转换为速度估算值的时间tsf。具体包含以下具体步骤：

步骤21，计算辅助变量x，y，m和n，其中，x，y，m和n为电机参数、电机转速以及反馈矩阵g的函数。

步骤22，计算辅助变量p0，p1，p2和p3，计算方法可表示为：

其中，ωe为永磁电机同步转速，对于不同的全阶磁链观测器结构，计算函数的定义不相同。

步骤23，计算辅助传递函数g22(s)。

步骤24，计算速度实际值与估算值间的传递函数gs(s)。

步骤25，计算gs(s)的阶跃响应y；记录y=0.632时的时间值tx；由于gs(s)为高阶函数，难以采用解析方法计算速度实际值与估算值之间的时域关系，因此，可通过计算gs(s)的阶跃响应，并结合一阶滤波器的阶跃响应特性，估计出等效的延时时间，其中一阶滤波器的形式为：

其中ts1为滤波器系数，且其一阶响应可表示为：

即当t=ts1时，y=0.632。

步骤26，将tx赋值给tsf，即。

步骤3，确定速度环总延时时间tω=tsf+τc。计算速度环总延时时间tω时，考虑到了电流环的延时时间τc。

步骤4，采用工程整定法，计算速度环pi参数，可得到比例系数ksp和积分系数ksi。

步骤5，验证参数ksp和ksi的可行性，在确定tsf时，需通过等效的方法并计算转速估算系统的上升时间，如不满足速度环控制要求，则可适当调整转速自适应律的比例系数kp和积分系数ki，以及速度环带宽系数h，重新执行步骤2—步骤4，直至参数ksp和ksi满足要求。

为提高转速环pi参数的计算效率，可采用matlab等数值分析工具，构建相关文件或工程，计算不同电机参数和全阶磁链观测器参数条件下的速度环pi参数。以一台7.5kw异步电机为被测电机的机组为例，采用上述方法计算速度环pi参数，并通过实测数据验证所得参数的准确性。异步电机具体参数为：rs=0.58ω，rr=0.36ω，lm=0.1573mh，ls=0.1628mh，lr=0.1626mh，j=0.08kg.m^-2。

根据异步电机参数和反馈矩阵g，给定转速自适应律的pi参数kp和ki时，可得到gs(s)的阶跃响应曲线。图4和图5分别给出不同kp和ki时，传递函数gs(s)的阶跃响应曲线。为提高转速辨识的快速性，实际系统的转速自适应律pi参数采用kp=3，ki=5。对应得到的速度环pi参数为ksp=4.88，ksi=21.73。

采用该速度环pi参数，调速系统的转速控制结果如图6所示。可见，调速系统转速控制的静态和动态性能优良，且有效减少调速系统调试的工作量。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。