一种基于误差加权的全阶观测器无速度传感器控制系统的制作方法
本发明涉及异步电机控制领域，具体地说是一种基于全阶观测器的无速度传感器控制策略。
背景技术：
矢量控制是异步电机(im)的主流控制方案，而速度信息是实现矢量控制算法的前提。尽管光电编码器、旋变等机械传感器的安装，能够较为准确地实现速度信号的检测。但是，一方面，在电动车、风力发电等强烈振动场合，传感器的有效使用寿命难以得到保证，降低了系统运行可靠性；另一方面，机械传感器及其检测电路也增加了变流驱动系统成本和硬件安装复杂性。
全阶自适应观测器算法是目前获得了较为广泛的研究和工程应用，其工作原理是利用异步电机动态模型构成的状态方程组估计定子和转子磁链，并引入误差反馈来提高状态变量的观测精度。由于观测器中包含转子转速变量信息，因此可以根据观测器原理设计转速自适应律观测转子转速。然而，低速运行时的稳定性问题依然是困扰该算法的核心问题，制约着无速度传感器异步电驱动系统的低速、尤其再生发电状态的运行性能。为此，许多学者做出不同的尝试。如题为“comparativeanalysisoffeedbackgainsforadaptivefull-orderobserversinsensorlessinductionmotordrives”(无传感器感应电动机自适应全阶观测器反馈增益的比较分析)(energyconversioncongressandexposition.ieee,2013:3481-3487，能源转换大会和博览会，ieee,2013:3481-3487)的文章。这篇文章概述了关于观测器反馈矩阵设计的三种方法，分别是：将观测器极点设计在电机自身极点k倍处且k>1；将观测器极点位置相对电机自身极点左移；按全速度范围稳定性设计反馈矩阵。前两种设计方案，通过合理的参数选择能够在一定程度上改善低速观测性能，但无法解决低速再生模式下的不稳定问题；后一种设计方案，虽然能够实现全局稳定，但观测器的极点被固定在离虚轴较近的位置，观测器的动态性能不高。且反馈矩阵的设计本身就比较复杂。
题为“陈伟，于泳，杨荣峰，等.异步电机自适应全阶观测器算法低速稳定性研究”(中国电机工程学报,2010,30(36):33-40.)这篇文章都尝试通过改造转速自适应律。直接将d轴电流误差信息通过权重系数引入到转速自适应律中，以消除低速再生状态下的不稳定极点，实现观测器的全范围稳定。但从根轨迹分布看，权重系数设计依然存在改进空间，以获得更好的收敛特性和实现性。另外，为了实现全运行状态的稳定，所设计的权重系数均需限幅处理，且限幅值难以确定。
题为“robustnessimprovementofspeedestimationinspeed-sensorlessinductionmotordrives”(无速度传感器感应电机转速估计的鲁棒性改进)(ieeetransactionsonindustryapplications,2016,52(3):2525-2536，ieee工业应用汇刊,2016,52(3):2525-2536)的文章。该文采用改造自适应律和反馈矩阵相结合的方法，实现低速的稳定运行，但是该方案设计复杂，且从根轨迹分析看，该方案在低速下收敛性较差。
综上所述，现有技术均无法在实现异步电机无速度传感器驱动系统低速稳定运行的同时兼顾较好的动态性能。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于克服传统无速度传感器驱动系统的低速不稳定问题，同时提高系统低速运行的性能。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于误差加权的全阶观测器无速度传感器控制系统，包括svpwm，逆变器，im，两个clark模块，两个park模块，一个反park模块，全阶观测器，第一比较器，第一调节器，第二比较器，第二调节器，第三比较器，第三调节器，转差计算模块；
所述逆变器输出三相线电压uab，ucb，uca，采集其中两相值，经公式变换再经clark模块变换后到两相静止坐标系下分别为uα、uβ，再经park模块变换到同步旋转坐标系下分别为ud，uq；
所述im为异步电机，采集其三相电流isa，isb，isc。经clark模块变换后到两相静止坐标系下分别为isα、isβ，再经park模块变换到同步旋转坐标系下分别为isd，isq；
所述全阶观测器，将所述两相静止坐标系下的电流isα，isβ和电压uα，uβ，输入其中获得估计电角速度
所述第一比较器，用于将所述估计电角速度
所述第一调节器用于将第一比较器得到的差值通过pi调节后输出q轴参考电流isq*；
所述第二比较器，用于将所述实际电流isq与参考电流isq*进行作差运算；
所述第二调节器用于将第二比较器得到的q轴电流误差经pi调节后输出q轴电压参考值uq*；
所述第三比较器，用于将所述实际电流isd与参考电流isd*进行作差运算；
所述第三调节器用于将第三比较器得到的d轴电流误差经pi调节后输出d轴电压参考值ud*；
所述反park模块用于将同步旋转坐标系下的参考电压ud*，uq*转换到静止坐标系下的参考电压uα*，uβ*；
所述转差计算模块，通过给定电流值isd*、isq*，计算转差电角速度ωs，所述估计电角速度
所述svpwm模块用于将两相参考电压uα*，uβ*进行空间矢量脉宽调制，输出pwm波至逆变器模块，所述逆变器驱动im。
作为优化的方案，所述全阶观测器包括状态方程模块和转速自适律，所述状态方程模块包括：观测矩阵
第二加法器用于将经过输入矩阵b输入的电压值us、
积分运算1/s用于将第二加法器的输出的磁链微分值进行积分运算，从而获得定子磁链和转子磁链的微分值，并将其输出给观测矩阵
输出矩阵c用于输出估计定子电流
减法器用于将输入的定子实际电流和估计电流进行作差，得到定子电流误差e，所述定子电流误差e输出给转速自适应律和反馈矩阵g；
所述转速自适律用于获得估计转子电角速度
作为优化的方案，所述状态方程模块计算具体包括如下步骤：
步骤1，采集异步电机在静止坐标系下的定子电压向量us和定子电流向量is；
步骤2，在静止坐标系下，建立异步电机及全阶观测器模型。
作为优化的方案，所述步骤1中，采集异步电机在静止坐标系下的定子电压向量us的具体方法如下：
定子电压向量us的采集方式如下：
采样得到实时异步电机线电压uab、ucb，经过公式(1)的坐标变换获得定子电压向量us；
在过程中，首先利用霍尔电压传感器采样定子a、b两相之间的线电压和定子c、b两相之间的线电压，定子电压信号uab和ucb；在数字信号处理芯片中进行如式(1)所示的坐标变换，获得定子电压信号的所需形式定子电压向量us。
作为优化的方案，所述步骤1中，采集异步电机在静止坐标系下的定子电流向量is的具体方法如下：
1)利用霍尔电流传感器采集定子a相电流isa、定子b相电流isb、定子c相电流isc；
2)在数字信号处理芯片中完成公式(2)的坐标变换获得异步电机在静止坐标系下的定子电流向量is：
作为优化的方案，步骤2中，建立异步电机模型过程如下：
其中：ψs＝[ψsαψsβ]t为定子磁链，ψr＝[ψrαψrβ]t为转子磁链，us＝[uαuβ]t为定子电压，is＝[isαisβ]t为定子电流。
对应的系数矩阵表达式为：
作为优化的方案，步骤2中，建立全阶观测器模型过程如下：
其中，上标“^”表示观测值；g为误差反馈矩阵。
作为优化的方案，所述转速自适应律获取观测的转子电角速度
其中，kp是比例积分调节器的比例系数，ki是比例积分调节器的比例和积分，
同步旋转坐标系下定子电流误差用静止坐标系下的变量加以描述，即:
将公式(8)代入公式(7)，上式所述误差加权转速自适应律在静止坐标系下表述为：
作为优化的方案，权重系数k需遵循以下要求设计：
要求1：估计转速的开环传递函数零、极的实部必须为负数；
要求2：估计转速的开环传递函数零、极的实部尽量远离虚轴；
要求3：k应该遵循简单原则，且能够实现全速范围的稳定。
作为优化的方案，权重系数k参考值：
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、针对传统方案的不足，本发明较好地解决了异步电机无速度传感器驱动系统的低速不稳定问题，特别是再生模式下的不稳定问题。
2、与设计反馈矩阵的方案相比，本发明在实现异步电机无速度传感器驱动系统的低速稳定运行的基础上，设计较简单，且发明提供的方案根轨迹离虚轴较远，所以收敛性好。
3、与一般的改造自适律的方法相比，本文的权重系数k的设计更简单，且无需重新设计限幅，工程实现更方便。
4、与改造自适律和设计反馈矩阵相结合的方法相比，本文的方案设计更简单，且低速下有更好的收敛性，提高对电机的控制性能。
附图说明
图1为本发明中全阶观测器结构框图；
图2为本发明中误差加权转速观测器结构图；
图3为本发明中无速度传感器控制系统的控制框图；
图4为本发明中，在额定转矩电流下，转速阶跃时本发明中方案与传统方案的对比图；
图5为本发明中，转矩阶跃时本发明中方案与参考文献中方案的收敛速度对比图(参考文献：robustnessimprovementofspeedestimationinspeed-sensorlessinductionmotordrives”(ieeetransactionsonindustryapplications,2016,52(3):2525-2536))。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
请参阅图1至图3，本发明一种基于误差加权的全阶观测器无速度传感器控制策略应用在基于误差加权的全阶观测器无速度传感器控制系统中，基于误差加权的全阶观测器无速度传感器控制系统包括svpwm，逆变器，im，两个clark模块，两个park模块，一个反park模块，全阶观测器，第一比较器，第一调节器，第二比较器，第二调节器，第三比较器，第三调节器，转差计算模块，第一加法器，积分器。
所述逆变器输出三相线电压uab，ucb，uca，采集其中两相值，经公式变换再经clark模块变换后到两相静止坐标系下分别为uα、uβ，再经park模块变换到同步旋转坐标系下分别为ud，uq。
所述im为异步电机，采集其三相电流isa，isb，isc。经clark模块变换后到两相静止坐标系下分别为isα、isβ，再经park模块变换到同步旋转坐标系下分别为isd，isq。
所述全阶观测器，将所述两相静止坐标系下的电流isα、isβ和电压uα、uβ。输入其中获得估计电角速度
所述第一比较器，用于将所述估计电角速度
所述第一调节器用于将第一比较器得到的差值通过pi调节后输出q轴参考电流isq*。
所述第二比较器，用于将所述实际电流isq与参考电流isq*进行作差运算。
所述第二调节器用于将第二比较器得到的q轴电流误差经pi调节后输出q轴电压参考值uq*。
所述第三比较器，用于将所述实际电流isd与参考电流isd*进行作差运算。
所述第三调节器用于将第三比较器得到的d轴电流误差经pi调节后输出d轴电压参考值ud*。
所述反park模块用于将同步旋转坐标系下的参考电压ud*，uq*转换到静止坐标系下的参考电压uα*，uβ*。
所述转差计算模块，通过给定电流值isd*、isq*，计算转差电角速度ωs，所述估计电角速度
所述svpwm模块用于将两相参考电压uα*、uβ*进行空间矢量脉宽调制，输出pwm波至逆变器模块，所述逆变器驱动im。
所述全阶观测器包括状态方程模块和转速自适律，所述状态方程模块包括：观测矩阵
第二加法器用于将经过输入矩阵b输入的电压值us、
积分运算1/s用于将第二加法器的输出的磁链微分值进行积分运算，从而获得定子磁链和转子磁链的微分值，并将其输出给观测矩阵
输出矩阵c用于输出估计定子电流
减法器用于将输入的定子实际电流和估计电流进行作差，得到定子电流误差e，所述定子电流误差e输出给转速自适应律和反馈矩阵g。
所述转速自适律用于获得估计转子电角速度
所述状态方程模块计算具体包括如下步骤：
步骤1，采集异步电机在静止坐标系下的定子电压向量us和定子电流向量is。
(一)定子电压向量us
定子电压向量us的采集方式如下：
采样得到实时异步电机线电压uab、ucb，经过公式(1)的坐标变换获得定子电压向量us；
在过程中，首先利用霍尔电压传感器采样定子a、b两相之间的线电压和定子c、b两相之间的线电压，定子电压信号uab和ucb；在数字信号处理芯片中进行如式(1)所示的坐标变换，获得定子电压信号的所需形式定子电压向量us。
(二)定子电流向量is
1)利用霍尔电流传感器采集定子a相电流isa、定子b相电流isb、定子c相电流isc；
2)在数字信号处理芯片中完成公式(2)的坐标变换获得异步电机在静止坐标系下的定子电流向量is。
步骤2，在静止坐标系下，建立异步电机及全阶观测器模型，如图2所示：
(一)异步电机模型：
其中：ψs＝[ψsαψsβ]t为定子磁链，ψr＝[ψrαψrβ]t为转子磁链，us＝[uαuβ]t为定子电压，is＝[isαisβ]t为定子电流。
对应的系数矩阵表达式为：
(二)全阶观测器模型：
其中，上标“^”表示观测值；g为误差反馈矩阵。
所述转速自适应律获取观测的转子电角速度
在同步旋转坐标系下误差加权转速自适应律可表述为:
其中，kp是比例积分调节器的比例系数，ki是比例积分调节器的比例和积分，
同步旋转坐标系下定子电流误差可用静止坐标系下的变量加以描述，即:
将公式(8)代入公式(7)，上式所述误差加权转速自适应律在静止坐标系下可表述为：
所述权重系数k需遵循以下要求设计：
权重系数k需遵循以下要求设计：
要求1：估计转速的开环传递函数零、极的实部必须为负数；
要求2：估计转速的开环传递函数零、极的实部尽量远离虚轴；
要求3：k应该遵循简单原则，且能够实现全速范围的稳定。
在此给出权重系数k参考值：
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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