本發(fā)明涉及基于轉(zhuǎn)速自適應(yīng)率補(bǔ)償法的單電流無速度傳感器矢量控制方法。

背景技術(shù)：

由于外界環(huán)境的影響，潮濕、腐蝕、高低溫以及灰塵可能會導(dǎo)致變頻器發(fā)生故障而使變頻調(diào)速系統(tǒng)崩潰。常見的多為傳感器故障導(dǎo)致的無法獲取反饋信息使系統(tǒng)不能形成閉環(huán)，電流傳感器、速度傳感器是易發(fā)生故障的環(huán)節(jié)。控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定了很多保護(hù)，如過流、直流母線過壓以及溫度過高等等，一般采取停車作為保護(hù)措施，但在有些應(yīng)用場合中，如電梯驅(qū)動器、飛機(jī)的電驅(qū)系統(tǒng)、采礦所用電剎車制動器以及起重機(jī)的掛鉤驅(qū)動器等，故障時(shí)不允許停車。因此，要使用額外的控制策略來維持電機(jī)在無速度傳感器、電流傳感器故障(如僅有一個(gè)健康的電流傳感器)的情況下繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，且系統(tǒng)性能不受很大影響，這也正是容錯(cuò)控制的意義。

在感應(yīng)電機(jī)矢量控制方法中，基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方法是最為常見的控制方法，其控制框圖如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)采用雙閉環(huán)的控制方式，含有速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。無速度傳感器模式即用估計(jì)的轉(zhuǎn)速代替速度傳感器的采樣值。所需轉(zhuǎn)速與定子電流信息由速度傳感器和兩個(gè)電流傳感器采樣得到。電流傳感器成本高，且感應(yīng)電機(jī)三相電流具有i_a+i_b+i_c＝0的關(guān)系，所以大多數(shù)變頻控制系統(tǒng)采用兩個(gè)電流傳感器。如果兩個(gè)電流傳感器之一發(fā)生故障，在僅剩一相電流傳感器正常工作的情況下，傳統(tǒng)方法將無法重構(gòu)出三相電流，實(shí)現(xiàn)矢量控制。目前國內(nèi)外對于這一領(lǐng)域的研究很少，國外文獻(xiàn)者曾提出一種方法，但其動態(tài)性能較差，較難應(yīng)用于工程領(lǐng)域。

由于雙閉環(huán)的作用，使得該矢量控制系統(tǒng)具有很好的動態(tài)性能和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)能力。但是，電流傳感器的故障無疑會造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，后果不堪設(shè)想。因此，如何在一個(gè)電流傳感器的情況下，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，便成為了重點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中三相電流不平衡和加載時(shí)轉(zhuǎn)速過度跌落的問題，而提出的一種基于轉(zhuǎn)速自適應(yīng)率補(bǔ)償法的單電流無速度傳感器矢量控制方法。

一種基于轉(zhuǎn)速自適應(yīng)率補(bǔ)償法的單電流無速度傳感器矢量控制方法按照以下步驟實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明控制原理圖如圖2，其整體結(jié)構(gòu)與兩個(gè)電流傳感器矢量控制結(jié)構(gòu)基本是相同的，因此這種結(jié)構(gòu)模式作為兩個(gè)電流傳感器故障后的容錯(cuò)控制模式。系統(tǒng)的反饋量只有一相電流i_a，由全階觀測器觀測出電機(jī)轉(zhuǎn)速值和β相電流值估計(jì)的電流值經(jīng)過電流補(bǔ)償器補(bǔ)償后進(jìn)行坐標(biāo)變換。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)的計(jì)算周期是電流環(huán)的十倍?；谵D(zhuǎn)速自適應(yīng)律的補(bǔ)償法是根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)算周期大于電流計(jì)算周期，利用轉(zhuǎn)速的估計(jì)公式反推電流的誤差公式，將其作為補(bǔ)償值，解決三相電流不均衡的問題。

步驟一：在兩相靜止參考坐標(biāo)系下，選擇異步電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子磁鏈作為狀態(tài)變量，得到異步電機(jī)狀態(tài)方程；

步驟二：根據(jù)步驟一得到的異步電機(jī)狀態(tài)方程，得到全階狀態(tài)觀測器；

步驟三：根據(jù)步驟二得到的全階狀態(tài)觀測器，得到β軸定子電流觀測值

步驟四：根據(jù)步驟三得到的β軸定子電流觀測值得到補(bǔ)償后的β軸定子電流i_sβ；

步驟五：根據(jù)步驟四得到的補(bǔ)償后的β軸定子電流i_sβ，得到更新后的轉(zhuǎn)子的電角速度將得到的更新后的轉(zhuǎn)子的電角速度代入步驟二，完成單電流無速度傳感器的矢量控制，結(jié)束條件為外部給出指令的停止或內(nèi)部保護(hù)給出的轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動的指令。

發(fā)明效果：

本發(fā)明使用改進(jìn)的全階狀態(tài)觀測器估算的定子電流替代缺失的相電流信號完成閉環(huán)控制。并且通過基于轉(zhuǎn)速自適應(yīng)律的方法進(jìn)行電流補(bǔ)償，改善三相電流不平衡和加載時(shí)轉(zhuǎn)速過度跌落的問題。并在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可以加滿載、卸滿載，保持較好的控制剛度。本發(fā)明名進(jìn)行電流補(bǔ)償會使轉(zhuǎn)速跌落減少約90％。三相不平衡，未采用補(bǔ)償時(shí)約為25％，采用補(bǔ)償后約為2％。

本發(fā)明提出一種只需一個(gè)電流傳感器的矢量控制系統(tǒng)，使變頻調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，大大減少了傳感器的數(shù)量。并且可應(yīng)用于電流傳感器故障時(shí)的容錯(cuò)控制，提高變頻器系統(tǒng)的可靠性。

附圖說明

圖1為基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)框圖；圖中i_d，i_q分別PARK變換后兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d、q軸電流分量；為給d軸電流定值，為ω_r誤差量經(jīng)PI環(huán)節(jié)后的q軸電流分量，θ為磁鏈角，為給定的轉(zhuǎn)子電角速度，T_r＝L_r/R_r為轉(zhuǎn)子側(cè)時(shí)間常數(shù)，分別為i_d，i_q誤差量經(jīng)過PI環(huán)節(jié)后得到的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電壓值，分別為經(jīng)過PARK逆變換后的的兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓值，SVPWM為空間矢量脈寬調(diào)制，S_abc為SVPWM模塊輸出的開關(guān)指令，V_dc為直流母線電壓。

圖2為單電流傳無速度感器矢量控制系統(tǒng)框圖；

圖3為全階狀態(tài)觀測器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為20Hz不加電流補(bǔ)償?shù)碾娏骷訚M載波形圖；

圖5為20Hz加電流補(bǔ)償?shù)碾娏骷訚M載波形圖；

圖6為20Hz不采用電流補(bǔ)償?shù)碾娏鬓D(zhuǎn)速波形圖(加、減滿載)；

圖7為20Hz采用電流補(bǔ)償?shù)碾娏鬓D(zhuǎn)速波形圖(加、減滿載)；

圖8為20Hz采用電流補(bǔ)償?shù)碾娏鬓D(zhuǎn)速波形放大圖(加滿載)；

圖9為三相靜止坐標(biāo)系下交流繞組圖；

圖10為兩相靜止坐標(biāo)系下等效交流繞組圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：一種基于轉(zhuǎn)速自適應(yīng)率補(bǔ)償法的單電流無速度傳感器矢量控制方法包括以下步驟：

本發(fā)明利用全階觀測器的觀測電流加上基于轉(zhuǎn)速自適應(yīng)率的補(bǔ)償值，代替電流傳感器的采樣值，轉(zhuǎn)速也由全階觀測器估計(jì)出，保持了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

步驟一：在兩相靜止參考坐標(biāo)系下，選擇異步電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子磁鏈作為狀態(tài)變量，得到異步電機(jī)狀態(tài)方程；所述兩相靜止參考坐標(biāo)系是由三相靜止ABC坐標(biāo)系經(jīng)過CLARK變換得到的；三相靜止ABC坐標(biāo)系的A軸、B軸和C軸分別對應(yīng)交流電機(jī)三相對稱的靜止繞組，A軸、B軸、C軸之間相差120°，A軸與兩相靜止參考坐標(biāo)系中的α軸重合，兩相靜止參考坐標(biāo)系中的β軸與α軸垂直；不同坐標(biāo)系下等效交流繞組如圖9和如圖10所示。

步驟二：根據(jù)步驟一得到的異步電機(jī)狀態(tài)方程，得到相應(yīng)的全階狀態(tài)觀測器；

步驟三：根據(jù)步驟二得到的全階狀態(tài)觀測器，得到β軸定子電流觀測值

步驟四：根據(jù)步驟三得到的β軸定子電流觀測值得到補(bǔ)償后的β軸定子電流i_sβ；

步驟五：根據(jù)步驟四得到的補(bǔ)償后的β軸定子電流i_sβ，得到更新后的轉(zhuǎn)子的電角速度將得到的更新后的轉(zhuǎn)子的電角速度代入步驟二，完成單電流無速度傳感器的矢量控制(實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制)，結(jié)束條件為外部給出指令(如人為設(shè)置的工作時(shí)長)的停止或內(nèi)部保護(hù)(如電機(jī)過載或電機(jī)過熱)給出的轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動。

在一些極端場合中，如起重機(jī)和航天領(lǐng)域等，需要高可靠性和容錯(cuò)能力，因此單電流無速度傳感器就有其重要的意義。本發(fā)明方法電機(jī)轉(zhuǎn)速由全階觀測器估計(jì)出，其中一相電流由全階觀測器的觀測電流加上基于轉(zhuǎn)速自適應(yīng)率的補(bǔ)償值估計(jì)出?；谵D(zhuǎn)速自適應(yīng)律的補(bǔ)償法是根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)算周期大于電流計(jì)算周期，利用轉(zhuǎn)速的估計(jì)公式反推電流的誤差公式，將其作為補(bǔ)償值，解決三相電流不均衡和加載轉(zhuǎn)速跌落的問題。本發(fā)明可以作為容錯(cuò)控制策略，保持原系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)態(tài)性能，提高系統(tǒng)的可靠性。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述步驟一中在兩相靜止參考坐標(biāo)系下，選擇異步電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子磁鏈作為狀態(tài)變量，得到異步電機(jī)狀態(tài)方程具體為：

公式中ψ_s＝[ψ_sα ψ_sβ]^T,ψ_r＝[ψ_rα ψ_rβ]^T,u_s＝[u_sα u_sβ]^T,i_s＝[i_sα i_sβ]^T，分別為定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈、定子電壓和定子電流矢量；ψ_sα和ψ_sβ分別為定子磁鏈在α軸和β軸的分量，ψ_rα和ψ_rβ分別為轉(zhuǎn)子磁鏈在α軸和β軸的分量，u_sα和u_sβ分別為定子電壓在α軸和β軸的分量，i_sα和i_sβ分別為定子電流在α軸和β軸的分量；A₁₁＝-a₁₁I，A₁₂＝a₁₂I，A₂₁＝a₂₁I，A₂₂＝-a₂₂I+ω_rJ，C₁＝c₁₁I，C₂＝-c₁₂I；R_s為定子側(cè)電阻，L_s為定子側(cè)電感，L_m為互感，L_r為轉(zhuǎn)子側(cè)電感；

其中令C＝[C₁ C₂]。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：所述步驟二中根據(jù)步驟一得到的異步電機(jī)狀態(tài)方程，得到全階狀態(tài)觀測器的具體過程為：

的具體過程為：

根據(jù)式(1)和(2)，得到全階狀態(tài)觀測器：

其中：

為觀測器狀態(tài)矩陣，其為電角速度的函數(shù)(設(shè)置轉(zhuǎn)子的電角速度的初始值為0，將步驟五中每一次得到的更新后的轉(zhuǎn)子的電角速度代入步驟二中替代觀測器狀態(tài)矩陣中的)；上標(biāo)“^”表示觀測值；H為誤差反饋矩陣；假設(shè)矩陣中電機(jī)參數(shù)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是緩慢變化的，即在每個(gè)周期內(nèi)矩陣不變。

狀態(tài)觀測器的原理圖如圖3所示。本發(fā)明不對誤差反饋矩陣進(jìn)行研究，在此H矩陣取為0。圖中e為實(shí)際電流和估計(jì)電流的差值，對e進(jìn)行比例積分可以得出估計(jì)轉(zhuǎn)速估計(jì)的轉(zhuǎn)速又作為的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：所述步驟三中根據(jù)步驟二得到的全階狀態(tài)觀測器，得到β軸定子電流觀測值的具體過程為：

假設(shè)只有a相電流傳感器正常工作，即i_a已知；

根據(jù)公式(5)得到i_sα＝i_a；由于i_b相電流未知，所以無法通過Clark變換得到i′_sβ，因此，在觀測器方程中，i_sα用測得的真實(shí)值表示，而i′_sβ用觀測值代替；(i_s'_β的觀測值)β軸定子電流觀測值通過公式(3)和公式(4)得到。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：所述步驟四中根據(jù)步驟三得到的β軸定子電流觀測值得到補(bǔ)償后的β軸定子電流i_sβ的具體過程為：

基于全階觀測器的無速度傳感器矢量控制中，轉(zhuǎn)速的估計(jì)方程為

因只有a相電流傳感器正常，即i_a可得，將i_a電流定位在α-β坐標(biāo)系的α軸上，根據(jù)公式(5)，可得i_sα＝i_a，圖3中為觀測器的估計(jì)電流，其中包含和這樣，根據(jù)i_sα和就可以得到α軸電流誤差引入到公式(6)中，進(jìn)行轉(zhuǎn)速估計(jì)。由于無法得到β相電流i_sβ，所以無法將β軸電流誤差引入觀測器，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速估計(jì)不準(zhǔn)確問題。

β軸電流的真實(shí)值為估計(jì)值和誤差值之和，如果忽略誤差值而認(rèn)為估計(jì)值等于真實(shí)值時(shí)，會使β相電流誤差較大，從而在后續(xù)的坐標(biāo)變換中引起三項(xiàng)電流不平衡。再者，轉(zhuǎn)速的估計(jì)也需要電流的誤差，如果忽略其中的一項(xiàng)誤差，會使轉(zhuǎn)速估計(jì)不準(zhǔn)確，加載時(shí)轉(zhuǎn)速跌落。因此單電流傳感器模式下的關(guān)鍵點(diǎn)就是估計(jì)出另一項(xiàng)的電流誤差。

當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，誤差項(xiàng)方程

因此可以導(dǎo)出β的誤差方程

于是，β相電流i_sβ可以得到，為觀測器觀測到的及公式(8)所示誤差項(xiàng)的和。

通過這種估計(jì)及補(bǔ)償?shù)姆绞?，可以代替電流傳感器的采樣值。這樣，i_sα和i_sβ均已獲得，可以實(shí)現(xiàn)電流反饋。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是：所述步驟五中根據(jù)步驟四得到的補(bǔ)償后的β軸定子電流i_sβ，得到更新后的轉(zhuǎn)子的電角速度的具體過程為：

其中所述k_p為比例增益，k_i為積分增益，s為拉普拉斯變換中的復(fù)變量。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至五之一相同。

實(shí)施例一：

與不加補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行對比

電流值的補(bǔ)償是實(shí)現(xiàn)單電流無速度傳感器矢量控制的關(guān)鍵。圖4為不采用本發(fā)明的電流補(bǔ)償方法，20Hz頻率運(yùn)行時(shí)電流波形，可以看出電流i_sα(紅色)和i_sβ(藍(lán)色)出現(xiàn)了明顯的幅值不平衡。圖5為同等條件下采用本發(fā)明方法得到的電流波形，大大改善三相電流不平衡的問題。圖6為不采用本發(fā)明方法時(shí)電流與速度波形，可以看出在突加滿載、突減滿載時(shí)，速度波形出現(xiàn)了較明顯的跌落和增加。圖7為采用本發(fā)明的電流補(bǔ)償方法時(shí)速度和電流波形，加滿載轉(zhuǎn)速曲線不跌落。圖8為波形放大圖?？傊谵D(zhuǎn)速自適應(yīng)率的電流補(bǔ)償可大大提高系統(tǒng)性能。