一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统及方法，该方法包括：1)在静止坐标系下获取鼠笼式感应电机的定子α轴和β轴的电压方程；2)将定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β轴的磁链作为状态变量，得到状态方程；3)获取当前时刻的定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β轴的磁链；4)获得预测控制方程，预测出下一时刻的定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β轴的磁链；5)获得下一时刻定子α轴和β轴的电压；6)将下一时刻定子α轴和β轴的电压发送到SVPWM中，驱动鼠笼式感应电机工作。与现有技术相比，本发明具有数字化、抑制谐波、响应快、应用广泛等优点。
【专利说明】
一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统及方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种鼠笼式感应电机控制方法，尤其是涉及一种基于直接特征控制的 鼠笼式感应电机控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 目前，在轨道交通、船舶运输等领域，大多数对鼠笼式感应电机用的控制策略还是 基于矢量控制的控制方法，而矢量控制的核心就是三环结构，即转速外环，转子磁链外环和 定子电流内环，这就免不了要使用PI调节器，然而PI调节器也存在自身的一些问题，如带宽 不够、容易饱和等等。而针对这些问题又提出了一些抑制的方法和手段，但是就整个控制方 法上来说无疑是使系统和结构更为复杂。所以为了解决上述提出的电机控制策略问题的方 法主要有两类:一类是对电机结构进行优化设计；另一类是寻求新的控制策略来替代传统 控制。第一类方法，通过改变电机的结构来获得所期望的磁路特性以及交直轴电感参数的 变化范围，这种途径需要使用更高级的工艺和技术，成本会增加很多。第二类方法，基于特 征控制实现对电机的控制，此种方法结构简单，同时利用了现代控制理论，就控制手段上已 经提升很多，也不需要增加成本。而且包含了现代控制理论的思想，相比较于传统的PI控 制，可以很好的消除一些高斯白噪声等等，使整个系统的控制更为精确。
[0003] 电机控制都是基于数字控制技术的，而数字控制包括采样、计算、产生占空比及其 更新等环节，理想的控制模式是在当前时刻采样电机电流，计算ΠΜ占空比信号，并且实时 更新占空比信号。然而，在实际系统中，可以实现的控制模式是在上一时刻进行电机电流采 样，算法占用一定的时间间隔，计算PWM占空比信号，最后在后一时刻更新占空比信号。在采 样周期的开始时刻进行电流采样的优点是，有更多的时间来计算控制算法，且所得到的电 流值近似于电机的平均电流值。然而，逆变器还需要另一个采样周期把占空比信号转换为 电机侧的电压，这样就使得数字控制中实际延时为两个周期。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种数字化、抑制谐 波、响应快、应用广泛的基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统及方法。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] -种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统，用以实现对鼠笼式感应电机 的快速控制，该系统包括：
[0007] 电压源型逆变器:与鼠笼式感应电机连接，用以向鼠笼式感应电机提供驱动电压；
[0008] 坐标变换模块:用以将鼠笼式感应电机的三相定子电流进行三相/两相坐标变换；
[0009] 位置传感器：用以获取鼠笼式感应电机的电角度，并通过电角度计算模块将电角 度转换为转速；
[0010] SVPWM:用以生成电压源型逆变器的门极驱动信号并发送给电压源型逆变器
[0011] ASR:与电角度计算模块和给定值计算模块连接，用于产生给定转矩；
[0012] 给定值计算模块:分别与ASR和电角度计算模块连接，用以计算定子d轴和q轴的给 定电流；
[0013] 滑模变结构观测器:与坐标变换模块连接，用以生成当前时刻定子电流分量、电压 分量以及定子磁链；
[0014] 预测控制模块:与滑模变结构观测器连接，用以产生下一时刻的预测定子电流分 量；
[0015] 特征控制模块:分别与给定值计算模块、预测控制模块、位置传感器和SVPffM连接， 用以产生下一时刻的预测定子电压分量并发送给SVPWM;
[0016] 单位延时模块:分别与给定值计算模块、预测控制模块和滑模变结构观测器连接， 用以产生延迟后的定子电压分量；
[0017] 磁链给定计算模块:与电角度计算模块和给定值计算模块连接，用于产生给定磁 链。
[0018] -种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制方法，包括以下步骤：
[0019] 1)在静止坐标系下获取鼠笼式感应电机的定子α轴和轴的电压方程；
[0020] 2)根据定子α轴和β轴的电压方程，将定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β轴的磁 链作为状态变量，得到状态方程；
[0021] 3)构建滑模变结构观测器，获取当前时刻的定子α轴和β轴的电流以及转子α轴和β 轴的磁链；
[0022] 4)将状态方程进行离散化处理，获得预测控制方程，并根据当前时刻的定子α轴和 β轴的电流和电压以及转子α轴和β轴的磁链预测出下一时刻的定子α轴和β轴的电流以及转 子α轴和β轴的磁链；
[0023] 5)根据预测出的下一时刻的定子α轴和β轴的电流以及给定的定子d轴和q轴的电 流采用特征控制方程获得下一时刻定子α轴和β轴的电压；
[0024] 6)将下一时刻定子α轴和β轴的电压发送到SVPWM中，产生六路PWM信号，作为逆变 器三个桥臂的IGBT的门极驱动信号，产生三相交流电压驱动鼠笼式感应电机工作。
[0025]所述的步骤2)中的状态方程为：
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 其中，X7为，X为状态变量，us为输入变量，j为虚数单位，Α、Β为系数矩阵，isa、i s{!分 别为实测出来的定子α轴和β轴的电流，分别为实际转子α轴和β轴的磁链幅值。
[0030] 所述的步骤3)中，滑模变结构观测器的方程为：
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 其中，usa、us{!分别为定子α轴和β轴的电压，i sa、is{!分别为实测出来的定子α轴和β轴 的电流，V sa、V a分别为观测器估计的定子a轴和轴的电流，V ra、V r{!分别为观测器估计的 转子a轴和β轴的磁链幅值，M、N为滑模增益，ω为转子转速，Rs为定子电阻，L s为定子电感，Lr 为转子的电感，Lm为定子转子之间的互感，Rr为转子电阻，a、0、A、O、Rsr分别为电感分散系 数、转子时间常数的倒数、定子等效漏电感、等效定子电阻、等效定子阻抗。
[0037] 所述的步骤4)中，预测控制方程为：
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] 其中，Λ为A的特征矩阵，A1JAA的特征值，I为单位阵，T为采样时间，^为下一时 亥丨J，tn-T为当前时刻，P=[pi P2]，且P1、P2为特征向量，γ为，λ为，|、|〇、|1、|2均为中间变量。
[0043] 所述的步骤5)中，特征控制方程为：
[0044]
[0045] 其中，Po为U时刻的电角度，id〇和iqQ分别为U时刻的定子d轴和q轴电流值，
,即为tn时刻转子磁链的幅值，lt ra( tn)tn)为tn时刻转子α轴和β 轴的磁链幅值，Id为tn-T时刻转子磁链的幅值，id。、iq。为给定的定子d轴和q轴的电流。
[0046] 所述的步骤5)中，给定的定子d轴和q轴的电流id。和iq。由给定转矩Te3。和给定转子 磁链Φι·。计算得到，计算式为：
[0047 ]当给定转矩T和给定转子磁链Φιχ都小于最大的转矩Temax和最大转子磁链tax时， 有：
[0048] 当id。和iqC处于电压极限圆内部且处于电流极限圆内部时，则有：
[0049]
[0050] 当^和^处于电压极限圆内部且处于电流极限圆上或外部时，则有：
[0051]
[0052] 当idc和iqc处于电压极限圆上或外部且处于电流极限圆内部时，则有：
[0053]
[0054] 当L。和in。处于电压极眼圆h或外部且处于电流极限圆上或外部时，则有：
[0055]
[0056] 其中，1^8、]^&、11、1^、;[1^11均为中间变量。
[0057]与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0058] 1、本发明通过使用特征控制的方法使鼠笼式感应电机的控制系统更加趋于数字 化，更便于实验验证结果的正确性。
[0059] 2、本发明补偿了数字控制的延时，抑制了转矩谐波，同时增加观测器环节和预测 控制环节让整个系统的结构更紧凑，更符合对电机的精确控制。
[0060] 3、本发明中的控制系统没有使用传统的三环（即角速度环，转子磁链环以及电流 环)控制系统，只是采用了前面两环加上特征控制共同构成整个系统，少了一组电流环的PI 调节器，不仅使得电流响应速度变快，同时也避免了PI调节器固有的饱和以及参数调节困 难等问题。
[0061] 4、本发明不仅对每一步电机方程进行细化，同时也考虑了很多技术上的约束和限 制，如死区时间的补偿等等，所以可以显著减少超调和滞后的问题。本发明的控制方法可以 推广至所有的交流电机类型中，尤其以轨道交通、船舶运输等系统应用更广泛。
【附图说明】
[0062]图1为本发明的整体结构框图。
[0063]其中，1、给定值计算模块，2、特征控制模块，3、预测控制模块，4、滑模变结构观测 器，5、坐标变换模块，6、单位延时模块，7、SVPWM，8、电压源型逆变器，9、鼠笼式感应电机， 1 〇、位置传感器，11、电角度计算模块，12、ASR，13、磁链给定计算模块。
【具体实施方式】
[0064] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0065] 实施例
[0066] 本发明的目的在于提供一种基于直接特征控制的新型鼠笼式感应电机的控制方 法，从而能够在传统的矢量控制之外基于现代控制理论来对电机进行控制，不仅可以快速 提升响应速度，也可以避免传统控制中多处使用PI造成了参数调节困难等一系列的问题。
[0067] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种基于直接特征控制的新型鼠 笼式感应电机控制策略，其内容包括以下步骤：
[0068] 1)对于本控制策略，需要如下一些模块:如图1所示，给定值计算模块1、特征控制 模块2、预测控制模块3、滑模变结构观测器4、坐标变换模块5、单位延时模块6、SVPWM7、电压 源型逆变器8、鼠笼式感应电机9、位置传感器10、电角度计算模块11、ASR12、磁链给定计算 丰旲块13;
[0069] 2)电流传感器的作用是将检测出的鼠笼式感应电机中三相定子电流isa，i sb，isc作 为输入，送至坐标变换模块内，对三相电流进行三相/两相(3s/2s)坐标变换，输出是两相静 止坐标系下的定子电流分量i Sd，i Sfi;
[0070] 3)鼠笼式感应电机转子旋转的电角度Θ输入至转速计算模块中，其目的是对电角 度Θ进行求导，得到转速反馈值ω ;
[0071] 4)将坐标变换模块输出的在tn_T时刻的定子电流分量isa，i s{!，tn-T时刻的定子电 压分量Usa，Us{!，以及转速反馈值ω这五个变量作为输入，送至滑模变结构观测器模块中观 测出t n_T时刻的定子电流分量i sa，i sf!，转子磁链分量，Itrfi的值；
[0072] 5)将步骤(4)观测出tn_T时刻的定子电流分量isa，ia，转子磁链分量的值送 入预测控制模块得到tn时刻的定子电流分量isa，is{!，转子磁链分量屯。，-的值；
[0073] 6)将给定转速ω。与转速反馈值ω作差之后经过转速调节器ASR得到给定转矩Tec， 将转速反馈值ω通过转速与磁链关系曲线后得到给定转子磁链φ。，将给定转矩I。，给定转 子磁链Φ。以及转速反馈值ω送入定子d轴，q轴电流分量i sd，iSq的给定值计算模块，输出的是 isd和isq的给定值，记为idc，iqc;
[0074] 7)将步骤(5)预测出tn时刻的定子电流分量isa，i s{!，电角度Θ，以及步骤(6)输出的 定子d轴，q轴电流分量id，iq的给定值id。，iq。作为输入，送至鼠笼式感应电机特征控制模块 中，输出是tn时刻的定子电压分量u sa，usp;
[0075] 8)将步骤(7)tn时刻的定子电压分量Usa， Us{!分别经过单位延迟模块，即延时一个T 周期，得到tn-T时刻的定子电压分量usa，us{!，这就是步骤⑷所需要的^-! 1时刻的定子电压 分量 Usa, UsP;
[0076] 9)将步骤⑴计算出的tn时刻的定子电压分量Usa，U sfi作为输入，送至SVPffM模块中， 产生六路PWM信号，以此作为逆变器三个桥臂的IGBT的门极驱动信号，来产生三相交流电压 驱动鼠笼式感应电机工作；
[0077] 对于本控制策略的几大核心，其具体设计方法如下：（1)滑模观测器设计方法如 下：
[0078] 根据在静止坐标系下鼠笼式感应电机的定子a轴，β轴的电压方程，将定子电流分 量isa，isp，转子磁链分量φι·α，作为状态变量列出状态方程，并由此得出滑模变结构的观测 器如下所示：
[0079] 首先令
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] 其中usa，us{!分别为定子α轴，β轴的电压，i sa，is{!分别为实测出来的定子α轴，β轴的 电流，1、，1、分别为观测器估计的定子 〇轴，|3轴的电流，^，糨分别为实际转子(1轴，辩由的 磁链，Φ'τα,Φ'τ?!分别为观测器估计的转子a轴，轴的磁链，Rs为定子电阻，Ls为定子的电感， Rr为转子电阻，Lr为转子的电感，Lm为定子转子之间的互感，ω为转子转速；
[0087] (2)预测方程如下：
[0088]根据鼠笼式感应电机的电压方程，彳
乍为状态变量，Usa+jusp作为 输入变量列写状态方程，记为X' =AX+Bus，X = [isa+jisfiUjitrf!]T(即X为两行一列的列向 S) , Us = Usa+j UsP
[0089] 对系数矩阵A求特征值及其对应的特征向量，对应的特征值为λ#ρλ2，其对应的特 征向量记为Pl和Ρ2，并令
[0090]
[0091 ] 对上述状态方程进行离散化处理之后，得到如下方程：[0092]
[0093] 1
[0095] (3)特征控制方程
[0096] 在上述离散化处理之后的方程两端同时乘以F1，即有
[0097] 化简之后求出us(tn)，即 得到如
[0110] 当给定转矩T(5。和给定转子磁链Φ。都小于最大的转矩Tf3max和最大转子磁链IlWx时， 有：
[0111] 第一阶段(当处于电压极限圆内部且也在电流极限圆内部时）：
[0112]
[0113]第二阶段（当处于电压极限圆内部且也在电流极限圆上或外部时）：
[0114]
[0115] 第三阶段（当处于电压极限圆上或外部时且也在电流极限圆内部时）：
[0116] 此时给定转矩Te3。和给定转子磁链Φ。都不能直接使用了，需通过如下步骤求出：
[0117] 首先计算出Itrc
[0118] 通过求解如下方程得到Ifcc:
[0119]
[0120] 同时将复根去掉，只留一个正实根且小于最大转子磁链i]Wx。
[0121] 其次计算出给定转矩T%
[0122] 通过求解如下方程得到Tec:
[0123]
[0124]
[0125]
[0126] 第四阶段（当处于电压极限圆上或外部时且也在电流极限圆上或外部时）：
[0127] 依然使用第三阶段求出的itrc和Tec，并且有
[0128]
[0129] 本发明的核心算法为特征控制，逆变器输出的三相电流驱动电机的旋转，本发明 的算法是在特征控制基础上，加入电流和磁链观测器以及预测控制环节，实现鼠笼式感应 电机在新的控制策略上的突破。
[0130] 本发明可以快速有效的使逆变器输出电流的谐波含量降低，本发明方法摆脱了电 机传统矢量控制，提出了基于特征控制的电机控制策略，从而完成了电流谐波的抑制，进而 完成转矩谐波的抑制，该方法可以在不修改硬件的前提下，使用了特征控制算法来对电机 实现控制，在特征控制上增加了电流和磁链观测器并加入了预测控制，对工业电机的转矩 谐波以及电磁噪声问题有抑制作用。
【主权项】
1. 一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统，用W实现对鼠笼式感应电机 (9)的快速控制，其特征在于，该系统包括： 电压源型逆变器(8):与鼠笼式感应电机(9)连接，用W向鼠笼式感应电机(9)提供驱动 电压； 坐标变换模块(5):用W将鼠笼式感应电机(9)的=相定子电流进行=相/两相坐标变 换； 位置传感器(10):用W获取鼠笼式感应电机(9)的电角度，并通过电角度计算模块（11) 将电角度转换为转速； SVPWM(7):用W生成电压源型逆变器(8)的口极驱动信号并发送给电压源型逆变器(8) ASR(12):与电角度计算模块(11)和给定值计算模块(1)连接，用于产生给定转矩； 给定值计算模块(1):分别与ASR(12)和电角度计算模块（11)连接，用W计算定子d轴和 q轴的给定电流； 滑模变结构观测器(4):与坐标变换模块(5)连接，用W生成当前时刻定子电流分量、电 压分量W及定子磁链； 预测控制模块(3):与滑模变结构观测器(4)连接，用W产生下一时刻的预测定子电流 分量； 特征控制模块(2):分别与给定值计算模块（1)、预测控制模块(3)、位置传感器（10)和 SVPWM(7)连接，用W产生下一时刻的预测定子电压分量并发送给SVPWM(7); 单位延时模块(6):分别与给定值计算模块(1)、预测控制模块(3)和滑模变结构观测器 (4)连接，用W产生延迟后的定子电压分量； 磁链给定计算模块（13):与电角度计算模块（11)和给定值计算模块（1)连接，用于产生 给定磁链。2. -种应用如权利要求1所述的基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制系统的控制 方法，其特征在于，包括W下步骤： 1) 在静止坐标系下获取鼠笼式感应电机的定子a轴和e轴的电压方程； 2) 根据定子a轴和0轴的电压方程，将定子a轴和0轴的电流W及转子a轴和0轴的磁链作 为状态变量，得到状态方程； 3) 构建滑模变结构观测器，获取当前时刻的定子a轴和0轴的电流W及转子a轴和0轴的 磁链； 4) 将状态方程进行离散化处理，获得预测控制方程，并根据当前时刻的定子a轴和0轴 的电流和电压W及转子a轴和e轴的磁链预测出下一时刻的定子a轴和e轴的电流W及转子a 轴和e轴的磁链； 5) 根据预测出的下一时刻的定子a轴和0轴的电流W及给定的定子d轴和q轴的电流采 用特征控制方程获得下一时刻定子a轴和e轴的电压； 6) 将下一时刻定子a轴和0轴的电压发送到SVPWM中，产生六路PWM信号，作为逆变器S 个桥臂的IGBT的口极驱动信号，产生S相交流电压驱动鼠笼式感应电机工作。3. 根据权利要求2所述的一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制方法，其特征 在于，所述的步骤2)中的状态方程为： X' =AX+Bus X=[isa+jisl3 itra+jl^rp] Us = Usa+jUsP 其中，X^为，乂为状态变量，113为输入变量，^'为虚数单位，4、8为系数矩阵，13。、136分别为 实测出来的定子a轴和e轴的电流，如a、如e分别为实际转子a轴和e轴的磁链幅值。4. 根据权利要求3所述的一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制方法，其特征 在于，所述的步骤3)中，滑模变结构观测器的方程为：其中，Usa、Use分别为定子a轴和0轴的电压，isa、ise分别为实测出来的定子a轴和0轴的电 流，i/ sa、i/ SP分别为观测器估计的定子a轴和0轴的电流，V ra、V re分别为观测器估计的转子 a轴和0轴的磁链幅值，M、N为滑模增益，CO为转子转速，私为定子电阻，Ls为定子电感，U为转 子的电感，Lm为定子转子之间的互感，Rr为转子电阻，a、0、A、0、Rsr分别为电感分散系数、转 子时间常数的倒数、定子等效漏电感、等效定子电阻、等效定子阻抗。5. 根据权利要求4所述的一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制方法，其特征 在于，所述的步骤4)中，预测控制方程为： X (tn)=化"p-ix (tn-T) +P A -1 ( e 1) p-iBus ( tn-T )，即：其中，A为A的特征矩阵，Ai、A2为A的特征值，I为单位阵，T为采样时间，tn为下一时刻， U-T为当前时刻，P= [Pi P2]，且P1、P2为特征向量，丫为，A为，C心点点均为中间变量。6. 根据权利要求5所述的一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制方法，其特征 在于，所述的步骤5)中，特征控制方程为：其中，PO为tn时刻的电角度，ido和iqo分别为U时刻的定子d轴和q轴电流值，即为tn时刻转子磁链的幅值，如a(tn)、如a(tn)为tn时刻转子a轴和0 轴的磁链幅值，如d为tn-T时刻转子磁链的幅值，idc、iqc为给定的定子d轴和q轴的电流。7. 根据权利要求6所述的一种基于直接特征控制的鼠笼式感应电机控制方法，其特征 在于，所述的步骤5)中，给定的定子d轴和q轴的电流id。和iq。由给定转矩Te。和给定转子磁链 恥'C计算得到，计算式为： 当给定转矩Te。和给定转子磁链如。都小于最大的转矩Temax和最大转子磁链IlWx时，有： 当id。和iq。处于电压极限圆内部且处于电流极限圆内部时，则有：当id。和iq。处于电压极限圆上或外部且处于电流极限圆上或外部时，则有：当idc和iqc处于 idc =-I^rcRxia- 当idc和iqc处于
【文档编号】H02P23/12GK105915147SQ201610247481
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】康劲松, 武松林, 王硕, 蒋飞
【申请人】同济大学