基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法
【专利摘要】本发明涉及基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法，基于两相静止坐标系下考虑铁耗的异步牵引电机等效电路，设计考虑铁耗的开环状态观测器；改进开环状态观测器的离散化算法，得到改进开环状态观测器；以定子电流观测误差为负反馈，设计反馈矩阵对闭环状态观测器进行极点配置。本发明，通过考虑铁耗的状态观测器设计、状态观测器离散化方法设计以及闭环极点配置等环节，提高状态观测器收敛速度和观测精度。
【专利说明】
基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法
技术领域
[0001] 本发明设及动车组牵引传动系统，具体说是基于铁耗模型的异步牵引电机磁链 (转子磁链)观测方法。
【背景技术】
[0002] 异步牵引电机控制技术是牵引传动系统的核屯、技术，目前研究和应用较多的仍为 磁场定向控制。磁场定向控制的性能依赖于转矩和磁链的完全解禪，对于异步牵引电机而 言，准确观测异步牵引电机磁链(转子磁链)是实现解禪的关键。
[0003] 传统基于模型的电机磁链观测方法存在参数敏感及积分饱和等问题，传统基于状 态观测器的电机磁链观测方法存在离散误差大、极点配置复杂等问题，且上述电机磁链观 测方法均未考虑铁耗影响。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供基于铁耗模型的异步牵引电 机磁链观测方法，通过考虑铁耗的状态观测器设计、状态观测器离散化方法设计W及闭环 极点配置等环节，提高状态观测器收敛速度和观测精度。状态观测器亦称为磁链观测器。
[0005] 为达到W上目的，本发明采取的技术方案是：
[0006] 基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法，其特征在于：
[0007] 基于两相静止坐标系下考虑铁耗的异步牵引电机等效电路，设计考虑铁耗的开环 状态观测器；
[000引改进开环状态观测器的离散化算法，得到改进开环状态观测器；
[0009] W定子电流观测误差为负反馈，设计反馈矩阵对闭环状态观测器进行极点配置。
[0010] 在上述技术方案的基础上，所述考虑铁耗的异步牵引电机等效电路是指:将铁耗 电阻同励磁电感并联的等效电路。
[0011] 在上述技术方案的基础上，所述考虑铁耗的开环状态观测器是指：W定子电流和 转子磁链为状态变量、W定子电压为输入量的开环状态观测器。
[0012] 在上述技术方案的基础上，通过等效电路推导得到开环状态观测器时，依据等效 电路的电压方程、磁链方程W及铁耗电阻所在支路的回路电压方程作为基本方程。
[0013] 在上述技术方案的基础上，推导得到的考虑铁耗的开环状态观测器如式(1)所示：
[0014]
Cl)〇
[0015] 在上述技术方案的基础上，改进开环状态观测器的离散化算法是指:将式（1)中的 定子电流和转子磁链方程分别在定、转子坐标系下采用一阶前向欧拉离散，得到改进开环 状态观测器。
[0016] 在上述技术方案的基础上，改进开环状态观测器如式(8)所示：
[0017]
[0018] 在上述技术方案的基础上，引入反馈矩阵Κ对式(8)所示改进开环状态观测器进行 极点配置，得到改进闭环状态观测器；
[0019] 反馈矩阵如式(11)所示：
[0023] 在上述技术方案的基础上，离散域下极点配置原则为:观测器极点应配置为异步 牵引电机模型极点的Ρ倍，且P<1;即：
[0024] λ〇 = ρλ" (13)。
[0025] 本发明所述的基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法，用于实现对异步牵引 电机磁链的准确观测，通过考虑铁耗的状态观测器设计、状态观测器离散化方法设计W及 闭环极点配置等环节，提高状态观测器收敛速度和观测精度。
【附图说明】
[00%]本发明有如下附图：
[0027]图1两相静止坐标系下考虑铁耗的异步牵引电机等效电路。
[002引其中：图1.a为α轴等效电路。
[00巧]图l.b为β轴等效电路。
[0030] 图2闭环状态观测器控制框图。
[0031] 图3采用传统一阶前向欧拉法的开环状态观测器和闭环状态观测器极点分布图。
[0032] 图4改进离散化方法的开环状态观测器和闭环状态观测器极点分布图。
【具体实施方式】
[0033] W下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0034] 本发明所述的基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法，包括：
[0035] 基于两相静止坐标系下考虑铁耗的异步牵引电机等效电路，设计考虑铁耗的开环 状态观测器；
[0036] 改进开环状态观测器的离散化算法，得到改进开环状态观测器，解决传统一阶前 向欧拉法在低计算频率下中高速区观测结果发散、观测误差大的问题；
[0037] W定子电流观测误差为负反馈，设计反馈矩阵对闭环状态观测器进行极点配置， 提高闭环状态观测器收敛速度和参数鲁棒性。
[0038] 具体包括如下步骤：
[0039] 步骤1，基于两相静止坐标系下考虑铁耗的异步牵引电机等效电路，设计考虑铁耗 的开环状态观测器：
[0040] 在两相静止坐标系的基础上，采用将铁耗电阻同励磁电感并联的等效电路进行分 析，推导得到W定子电流和转子磁链为状态变量、W定子电压为输入量的开环状态观测器 (即考虑铁耗的开环状态观测器）；
[0041] 所述推导得到的考虑铁耗的开环状态观测器如式(1)所示：
[0042]
[0043] 推导中（指通过等效电路推导得到开环状态观测器时），可依据等效电路的电压方 程、磁链方程W及铁耗电阻所在支路的回路电压方程作为基本方程；
[0044] 其中；
[0051 ] is地=isa+化e为定子电流矢量，斯..W =巧,? +獻/劝转子磁链矢量，Vsae = Vsa+jVse为定 子电压矢量，?α脈分别为定、转子电阻，1-和以分别为定、转子电感，Lm为激磁电感，ωτ为转 子角频率，Qe为定子角频率，R'Fe为铁耗电阻倒数值，Tr为转子时间常数，-4 /4， L肝=叫,'心
[0052] 步骤2,改进开环状态观测器的离散化算法，得到改进开环状态观测器：
[0053] 将式（1)中的定子电流和转子磁链方程分别在定、转子坐标系下采用一阶前向欧 拉离散，得到改进开环状态观测器；
[0054] 改进开环状态观测器如式(8)所示：
[0058]步骤3, W定子电流观测误差为负反馈，设计反馈矩阵对闭环状态观测器进行极点 配置：
[0059] 步骤3.1，由式(8)得到改进开环状态观测器状态矩阵：
[0060]
[0061] 步骤3.2,选取定子电流观测误差为负反馈，引入反馈矩阵K对式(8)所示改进开环 状态观测器进行极点配置，推导改进闭环状态观测器；
[0062] 反馈矩阵K如下：
[0066] 在如式（12)中的改进闭环状态观测器的基础上，并依据离散域下极点配置原则提 高其整体的收敛速度和参数鲁棒性。所述离散域下极点配置原则为:观测器极点应配置为 异步牵引电机模型极点的P倍，且P<1;即：
[0067] λ〇 = ρλ" (13)
[0068] 其中λ。为离散域下观测器极点，λ。为离散域下异步牵引电机极点；
[0069] 步骤3.3,如图2所示，采用电机模型和观测器模型所构成的改进闭环状态观测器， 对其中反馈矩阵进行求解；
[0070] 其中图2中A、B、C、F代表电机模型和观测器模型中的状态矩阵。
[0071] 令；
[0082] 依据上述步骤1~3,可构成基于铁耗模型的异步牵引电机状态观测器。
[0083] 图3和图4分别给出了传统状态观测器(传统一阶前向欧拉法的开环状态观测器和 闭环状态观测器)和本发明所提出的状态观测器(改进离散化方法的开环状态观测器和闭 环状态观测器)的异步牵引电机极点轨迹对比。
[0084] 从图3和图4可W看到，采用本发明所述状态观测器方法后，不再存在异步牵引电 机极点随转速升高而逐渐远离实轴的运动模态，较好的改善了传统方法在中高速区的不稳 定现象，且经过离散域下的极点配置，闭环状态观测器的极点更靠近坐标原点，具有较好的 收敛速度，另外本发明所述的改进离散化的闭环状态观测器方法的处理器计算负荷与传统 一阶欧拉方法几乎相当。
[0085] 由W上本发明的技术方案可知，本发明所具有的有益效果在于：
[0086] 1、设计了两相静止坐标系下考虑铁耗的开环状态观测器；
[0087] 2、如式(8)所示的改进开环状态观测器所示对传统离散化方法进行了改进，解决 了传统方法在低计算频率下观测结果发散、观测误差大等问题，且易于数字实现；
[0088] 3、对闭环状态观测器进行了极点配置，提高了观测器收敛速度和参数鲁棒性。
[0089] 1)图1为本发明提供的考虑铁耗时两相静止坐标系下异步牵引电机等效电路，由 等效电路得到两相静止坐标系下电压方程、转子磁链方程及电流方程，由基本方程推导得 到W定子电流、转子磁链和铁耗支路电流为状态变量的状态方程：
[0090]
[0091] 上式形式过于复杂，不利于理论分析及工程应用。考虑到转子磁链和转速受转子 时间常数和机械时间常数限制而变化缓慢，结合励磁支路电压方程可知铁耗支路电流在一 个控制周期内几乎保持不变；同时考虑到异步牵引电机漏感较小，则定子电流状态方程中 的微分项系数接近于0,故可忽略其铁耗支路电流的微分项;进一步将铁耗电流用定子电流 和转子磁链表示，经推导得到式（1)所示简化的开环状态观测器模型。
[0092] (2)改进离散化方法的推导过程，将开环状态观测器转子磁链方程在转子坐标系 下处理，并经一阶前向欧拉离散得到：
[0093]
[0094] 其中上标r表示转子坐标系下的物理量，为与定子电流方程保持一致，通过下式进 行定转子坐标系转换：
[0095]
[0096] 经转换得到式(8)所示采用改进离散化方法的开环状态观测器模型。
[0097] (3)极点配置过程，由式（10)和（17)所示异步牵引电机模型和闭环状态观测器模 型，得到两个模型的特征方程分别为：
[0107] 对上式进行求解，得到式(18)和(19)所示反馈矩阵元素表达式。
[0108] 在本实施例中，设计了考虑铁耗的状态观测器，并对观测器进行了优化离散化方 法设计和极点配置，提高了观测器观测精度和参数鲁棒性。
[0109] 最后应说明的是：W上实施例仅用W说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可 W对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换； 而运些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
[0110] 本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1. 基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法，其特征在于： 基于两相静止坐标系下考虑铁耗的异步牵引电机等效电路，设计考虑铁耗的开环状态 观测器； 改进开环状态观测器的离散化算法，得到改进开环状态观测器； 以定子电流观测误差为负反馈，设计反馈矩阵对闭环状态观测器进行极点配置。2. 如权利要求1所述的基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法，其特征在于:所述 考虑铁耗的异步牵引电机等效电路是指:将铁耗电阻同励磁电感并联的等效电路。3. 如权利要求2所述的基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法，其特征在于:所述 考虑铁耗的开环状态观测器是指：以定子电流和转子磁链为状态变量、以定子电压为输入 量的开环状态观测器。4. 如权利要求2所述的基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法，其特征在于:通过 等效电路推导得到开环状态观测器时，依据等效电路的电压方程、磁链方程以及铁耗电阻 所在支路的回路电压方程作为基本方程。5. 如权利要求3所述的基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法，其特征在于:推导 得到的考虑铁耗的开环状态观测器如式(1)所示：6. 如权利要求5所述的基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法，其特征在于:改进 开环状态观测器的离散化算法是指:将式（1)中的定子电流和转子磁链方程分别在定、转子 坐标系下采用一阶前向欧拉离散，得到改进开环状态观测器。7. 如权利要求6所述的基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法，其特征在于:改进 开环状态观测器如式(8)所示：8. 如权利要求7所述的基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法，其特征在于：引入 反馈矩阵K对式(8)所示改进开环状态观测器进行极点配置，得到改进闭环状态观测器； 反馈矩阵如式(11)所示：得到改进闭环状态观测器：9. 如权利要求8所述的基于铁耗模型的异步牵引电机磁链观测方法，其特征在于:离散 域下极点配置原则为:观测器极点应配置为异步牵引电机模型极点的P倍，且P〈l;即： λ-o - (13)〇
【文档编号】H02P21/26GK106059426SQ201610379819
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】刁利军, 唐敬, 董侃, 尹少博, 刘志刚
【申请人】北京交通大学