高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法与流程

[0001]
本发明涉及高压变频器领域，具体涉及高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法。


背景技术：

[0002]
异步电机矢量控制中要实现准确解耦和实现磁链的反馈控制，需要知道转子磁链准确的相位角和幅值。现有技术中一般利用异步电机定子侧的电压电流等相关参数设计磁链观测器用于实时计算得到转子磁链的准确位置和大小。现有的转子磁链观测器通常有两种电压模型和电流模型；
[0003]
这两种磁链观测器算法的原理分别是电压模型：通过使用电机的定子电压和定子电流来计算转子磁链，器结构简单，容易实现。电流模型：使用电机定子侧电压，电流以及转子转速计算转子磁链，器观测值渐进收敛。
[0004]
但是这两种磁链观测器算法的缺陷分别是电压模型中含有纯积分环节，存在直流偏置和初始值问题，并涉及到定子电阻，在低速时由于定子电阻压降作用明显，测量误差值与反电动势幅值接近，使得观测精度低，导致在异步电机电机低速运行时磁链观测不准。而电流模型对电机转子时间常数变化很敏感，在异步电机电机高速旋转时磁链观测不准确。


技术实现要素：

[0005]
本发明所要解决的技术问题是现有技术中异步电机矢量控制过程中存在在高速或低速情况下磁链观测器观测不准确的问题，目的在于提供一种高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法，解决上述问题。
[0006]
本发明通过下述技术方案实现：
[0007]
高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测方法，包括以下步骤：步骤s1：通过两相静止坐标下的电流磁链观测模型得到不同坐标轴的电流转子磁链值；步骤s2：通过两相静止坐标下的电压磁链观测模型得到不同坐标轴的电压转子磁链值；步骤s3：根据设定的滤波截止频率值，对所述电流转子磁链值和电压转子磁链值进行滤波得到转子磁链值；其中，所述不同坐标轴包括α轴和β轴；在电流磁链观测模型下得到α轴的电流转子磁链值ψ
rα(i)
；在电流磁链观测模型下得到β轴的电流转子磁链值ψ
rβ(i)
；在电压磁链观测模型下得到α轴的电压转子磁链值ψ
rα(u)
；在电压磁链观测模型下得到β轴的电压转子磁链值ψ
rβ(u)
。
[0008]
本发明电压磁链观测器较传统电压观测器进行改进，通过低通滤波器来替代积分环节，通过低通滤波器在不同频率段下，区分电流观测器或电压观测器得到的磁链观测值占比。转子磁链通过对转子感应电压的纯积分得到，系统工作点接近零速时，由于转子感应电压近似为零，以至于只有误差信号被积分而掩盖了真实信号；因此采用低通滤波器代替电压模型磁链观测器中的纯积分环节，从而将进行电压观测的部分在通过积分之后形成一个高通滤波器，完成高频运行时的磁链观测，通过电流观测的部分加入低通滤波实现低频
磁链观测，由于用低通滤波器代替电压模型磁链观测器中的纯积分环节，相当于在原电压模型磁链观测器上增加了一个一阶高通滤波环节因此，在将步骤s1中的电流转子磁链值ψ
rα(i)
和电流转子磁链值ψ
rβ(i)
进行截止频率一样的低通滤波，就可以实现在不同频率下分别采用对应的磁链观测模型，对磁链进行准确观测。
[0009]
进一步的，所述步骤s1包括以下子步骤：
[0010]
子步骤s11：采集同步旋转坐标下定子电流通过α轴的定子电流i
sα
和通过β轴的定子电流i
sβ
，再与估算的转子角频率ω
r
共同作用，得到两相静止坐标系下的电流模型观测的磁链；
[0011]
子步骤s12：令所述同步旋转坐标下的同步转速ω
e
＝0，则此时可得两相静止坐标系下异步电机的状态方程为：
[0012][0013]
由上式，得到所述不同坐标轴的转子磁链值ψ
rα(i)
和ψ
rβ(i)
，所述ψ
rα(i)
和ψ
rβ(i)
公式如下：
[0014][0015]
其中，l
m
为励磁电感，τ
r
为转子时间常数。
[0016]
进一步的，电压磁链观测模型通过定子电流和定子电压获得转子磁链定子回路的电压平衡方程式：
[0017][0018]
定子磁链与转子磁链的关系式：
[0019][0020]
两式联立,得：
[0021][0022]
由上式可以看出，转子磁链通过对转子感应电压的纯积分得到，系统工作点接近零速时，由于转子感应电压近似为零，以至于只有误差信号被积分而掩盖了真实信号；
[0023]
因此改进的电压模型采用低通滤波器代替电压模型磁链观测器中的纯积分环节，得到所述ψ
rα(u)
和ψ
rβ(u)
公式如下：
[0024][0025]
其中，u
sα
为α轴的定子电压，u
sβ
为β轴的定子电压，r
s
为定子电阻，l
m
为励磁电感，l
r
为转子漏感，l
s
为定子漏感，i
sα
为α轴的定子电流，i
sβ
为β轴的定子电流，p为微分算子，t
c
为滤波器截止频率，σ为漏磁系数，
[0026]
本发明的另一种实现方式，一种高压大功率变频器无速度矢量控制的磁链观测器，包括：电流观测模型单元，用于通过两相静止坐标下不同坐标轴的电流转子磁链值；电压观测模型单元，用于通过两相静止坐标下不同坐标轴的电压转子磁链值；滤波模块，用于根据设定的滤波截止频率值对所述电流转子磁链值和电压转子磁链值进行滤波得到转子磁链值；其中，所述不同坐标轴包括α轴和β轴；在电流磁链观测模型下得到α轴的电流转子磁链值ψ
rα(i)
；在电流磁链观测模型下得到β轴的电流转子磁链值ψ
rβ(i)
；在电压磁链观测模型下得到α轴的电压转子磁链值ψ
rα(u)
；在电压磁链观测模型下得到β轴的电压转子磁链值ψ
rβ(u)
。
[0027]
进一步的，所述电流观测模型单元包括：采集同步旋转坐标下定子电流通过α轴的定子电流i
sα
、通过β轴的定子电流i
sβ
和通过闭环系统观测出来的转子角频率ω
r
共同作用，得到两相静止坐标系下的电流模型观测的磁链；令所述同步旋转坐标下的同步转速ω
e
＝0，得到所述不同坐标轴的转子磁链值ψ
rα(i)
和ψ
rβ(i)
，所述ψ
rα(i)
和ψ
rβ(i)
公式如下：
[0028][0029]
其中，l
m
为励磁电感，τ
r
为转子时间常数。
[0030]
进一步的，所述电压观测模型单元包括低通滤波器，所述ψ
rα(u)
和ψ
rβ(u)
公式如下：
[0031][0032]
其中，u
sα
为α轴的定子电压，u
sβ
为β轴的定子电压，r
s
为定子电阻，l
m
为励磁电感，l
r
为转子漏感，l
s
为定子漏感，i
sα
为α轴的定子电流，i
sβ
为β轴的定子电流，p为微分算子，t
c
为滤波器截止频率，σ为漏磁系数。
[0033]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0034]
1、本发明高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法，采用低通滤波器代替电压模型磁链观测器中的纯积分环节，克服了现有技术中存在的电流模型在高速时，电压模型在电机低速时磁链观测不准的情况；
[0035]
2、本发明高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法，通过滤波器动态切换磁链观测器，使电机在不同转速下均能准确进行转子磁链定向。同时能够实现转速磁链的同时观测，具有较高的精度和动态性能，且结构简单易于实现。
附图说明
[0036]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0037]
图1为本发明整体流程图；
[0038]
图2为本发明磁链观测方法示意图；
[0039]
图3为电流观测器模型示意图；
[0040]
图4为电压磁链观测模型示意图；
[0041]
图5为本发明磁链观测器模块示意图；
[0042]
图6为1hz下电流模型观测磁链值与本发明输出磁链值；
[0043]
图7为1hz下电压模型观测磁链值与本发明输出磁链值；
[0044]
图8为10hz下电流模型观测磁链值与本发明输出磁链值；
[0045]
图9为10hz下电压模型观测磁链值与本发明输出磁链值；
[0046]
图10为50hz下电流模型观测磁链值与本发明输出磁链值；
[0047]
图11为50hz下电压模型观测磁链值与本发明输出磁链值。
具体实施方式
[0048]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0049]
实施例1
[0050]
本实施例1是一种高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测方法，如图1、图2、图3和图4所示，包括以下步骤：步骤s1：通过两相静止坐标下的电流磁链观测模型得到不同坐标轴的电流转子磁链值；步骤s2：通过两相静止坐标下的电压磁链观测模型得到不同坐标轴的电压转子磁链值；步骤s3：根据设定的滤波截止频率值，对高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法电流转子磁链值和电压转子磁链值进行滤波得到转子磁链值；其中，高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法不同坐标轴包括α轴和β轴；在电流磁链观测模型下得到α轴的电流转子磁链值ψ
rα(i)
；在电流磁链观测模型下得到β轴的电流转子磁链值ψ
rβ(i)
；在电压磁链观测模型下得到α轴的电压转子磁链值ψ
rα(u)
；在电压磁链观测模型下得到β轴的电压转子磁链值ψ
rβ(u)
。
[0051]
本实施例1的电压观测器较传统电压观测器进行改进，通过低通滤波器来替代积分环节，通过低通滤波器在不同频率段下，区分电流观测器或电压观测器得到的磁链观测值占比，转子磁链通过对转子感应电压的纯积分得到，系统工作点接近零速时，由于转子感应电压近似为零，以至于只有误差信号被积分而掩盖了真实信号；因此采用低通滤波器代替电压模型磁链观测器中的纯积分环节，从而将进行电压观测的部分在通过积分之后形成一个高通滤波器，完成高频运行时的磁链观测，通过电流观测的部分加入低通滤波实现低频磁链观测，由于用低通滤波器代替电压模型磁链观测器中的纯积分环节，相当于在原电压模型磁链观测器上增加了一个一阶高通滤波环节因此，在将步骤s1中的电流转子磁链值ψ
rα(i)
和电流转子磁链值ψ
rβ(i)
进行截止频率一样的低通滤波，就可以实现在不同频率下分别采用对应的磁链观测模型，对磁链进行准确观测。
[0052]
高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法步骤s1包括以下子步骤：
[0053]
子步骤s11：采集同步旋转坐标下定子电流通过α轴的定子电流i
sα
和通过β轴的定子电流i
sβ
，获得转子角频率ω
r
；
[0054]
子步骤s12：令高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法同步旋转坐标下的同步转速ω
e
＝0，则此时可得两相静止坐标系下异步电机的状态方程为：
[0055][0056]
由上式，得到高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法不同坐标轴的转子磁链值ψ
rα(i)
和ψ
rβ(i)
，高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法ψ
rα(i)
和ψ
rβ(i)
公式如下：
[0057][0058]
其中，l
m
为励磁电感，τ
r
为转子时间常数。
[0059]
电压磁链观测模型通过定子电流和定子电压获得转子磁链定子回路的电压平衡方程式：
[0060]
[0061]
定子磁链与转子磁链的关系式：
[0062][0063]
两式联立,得：
[0064][0065]
由上式可以看出，转子磁链通过对转子感应电压的纯积分得到，系统工作点接近零速时，由于转子感应电压近似为零，以至于只有误差信号被积分而掩盖了真实信号；
[0066]
因此改进的电压模型采用低通滤波器代替电压模型磁链观测器中的纯积分环节，得到高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法ψ
rα(u)
和ψ
rβ(u)
公式如下：
[0067][0068]
其中，u
sα
为α轴的定子电压，u
sβ
为β轴的定子电压，r
s
为定子电阻，l
m
为励磁电感，l
r
为转子漏感，l
s
为定子漏感，i
sα
为α轴的定子电流，i
sβ
为β轴的定子电流，p为微分算子，t
c
为滤波器截止频率，σ为漏磁系数，
[0069]
实施例2
[0070]
本实施例2是一种高压大功率变频器无速度矢量控制的磁链观测器，如图2所示，包括：电流观测模型单元，用于通过两相静止坐标下不同坐标轴的电流转子磁链值；电压观测模型单元，用于通过两相静止坐标下不同坐标轴的电压转子磁链值；滤波模块，用于根据设定的滤波截止频率值对高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法电流转子磁链值和电压转子磁链值进行滤波得到转子磁链值；其中，高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法不同坐标轴包括α轴和β轴；在电流磁链观测模型下得到α轴的电流转子磁链值ψ
rα(i)
；在电流磁链观测模型下得到β轴的电流转子磁链值ψ
rβ(i)
；在电压磁链观测模型下得到α轴的电压转子磁链值ψ
rα(u)
；在电压磁链观测模型下得到β轴的电压转子磁链值ψ
rβ(u)
。
[0071]
高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法电流观测模型单元包括：采集同步旋转坐标下定子电流通过α轴的定子电流i
sα
和通过β轴的定子电流i
sβ
，获得转子角频率ω
r
；令高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法同步旋转坐标下的同步转速ω
e
＝0，得到高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法不同坐标轴的转子磁链值ψ
rα(i)
和ψ
rβ(i)
，高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法ψ
rα(i)
和ψ
rβ(i)
公式如下：
[0072][0073]
其中，l
m
为励磁电感，τ
r
为转子时间常数,ψ
r
为转子磁链，l
r
为转子漏感，r
r
为转子电阻。
[0074]
高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法电压观测模型单元包括低通滤波器，高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法ψ
rα(u)
和ψ
rβ(u)
公式如下：
[0075][0076]
其中，u
sα
为α轴的定子电压，u
sβ
为β轴的定子电压，r
s
为定子电阻，l
m
为励磁电感，l
r
为转子漏感，l
s
为定子漏感，i
sα
为α轴的定子电流，i
sβ
为β轴的定子电流，p为微分算子，t
c
为滤波器截止频率，σ为漏磁系数。
[0077]
本发明的高压大功率变频器无速度矢量控制磁链观测器及观测方法，采用低通滤波器代替电压模型磁链观测器中的纯积分环节，克服了现有技术中存在的电流模型在高速时，电压模型在电机低速时磁链观测不准的情况；通过滤波器动态切换磁链观测器，使电机在不同转速下均能准确进行转子磁链定向。同时能够实现转速磁链的同时观测，具有较高的精度和动态性能，且结构简单易于实现。
[0078]
实施例3
[0079]
本实施例3是在实施例1的基础上，进行的实验数据验证，具体如下：
[0080]
使用额定电压380v，50hz，磁极对数为2对极的异步电机。电机内部参数为：定子电阻rs＝0.6ω,转子电阻rr＝0.425ω。励磁电感lm＝0.12h,定子漏感ls＝0.011，转子漏感lr＝0.011。磁链观测器的用于双模型切换的滤波器截止时间常数ts＝1/62.8。即滤波截止频率为10hz。
[0081]
图6、图7、图8、图9、图10和图11，分别为不同频率下使用磁链与电流观测模型和电压观测模型的对比情况。
[0082]
如图6所示，为1hz下电流模型观测磁链值与本发明的输出磁链对比波形，如图7所示为电压模型观测磁链与本发明的输出磁链对比波形。可看到在低频情况下，磁链的最终输出值主要通过电流模型观测的磁链值构成。
[0083]
如图8所示，为10hz下电流模型观测磁链值与本发明的输出磁链对比波形，如图9所示，为10hz下电压模型观测磁链与本发明的输出磁链对比波形。10hz为该系统设定的滤波截止频率，因此在该频率下，磁链输出值跟两个模型都有很大的关系。
[0084]
如图10所示，为50hz下电流模型观测磁链值与本发明的输出磁链对比波形；如图11所示，为50hz下电压模型观测磁链值与本发明的输出磁链对比波形。此时磁链的输出值主要由电压观测模型得到的。
[0085]
通过本实施例3可以看到，本发明能够很平稳的在不同频率下动态切换两个磁链观测模型的占比得到准确的磁链值，对无速度传感器矢量控制的磁场定向和转速估计都能提供准确的信息，确保系统准确性和稳定性。
[0086]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。